Министерство образования РеспубликиБеларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники»
Факультет компьютерного проектирования
Кафедра электронно – вычислительных средств
Кзащите допустить
Заведующийкафедрой
______/ А.А.Петровский /
"_____"___________2002г.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломному проекту
НА ТЕМУ:
“Разработка конструкции и технологии изготовления модуляуправления временными параметрами”
Дипломник / В.А.Николаев /
Руководитель / В.Б.Соколов /
Консультанты:
поэкономике / Т.Л. Слюсарь /
поохране труда и экологической
безопасности/ А.И. Навоша /
Нормоконтроль/ В.Б.Соколов
Рецензент/ /
Минск 2002 г.
ВВЕДЕНИЕ
Современнаямикроэлектроника привела к революционным преобразованиям практически во всехотраслях техники, не говоря уже о радиоэлектронной и электронно-вычислительнойаппаратуре. Повышение плотности упаковки аппаратуры на микросхемах, ихнадежности и долговечности, автоматизация производства элементной базы даливозможность применять достаточно сложные микроэлектронные устройства в такихобластях, как автомобилестроение, связь, управление технологическимипроцессами, измерительная техника, бытовая техника и т. д.
Вто же время появление и развитие микроэлектроники как научно-техническогонаправления потребовало коренного изменения как методов проектированияаппаратуры, так и направления подготовки современных специалистов попроектированию, производству и эксплуатации микроэлектронной аппаратурыразличного назначения.
Дипломноепроектирование является завершающим этапом всей программы обучения. В процесседипломного проектирования решаются следующие задачи:
— изучение конструкторских разработок, базовых техпроцессов и методов контроляпараметров по теме дипломного проекта;
— приобретение практических навыков постановки анализа и решения инженерныхзадач, связанных с разработкой проекта;
— сбор материала справочного, информационного характера, ознакомление ссовременными разработками РЭА;
— выбор и обоснование методов реализации технических решений проекта;
— разработка структурной и принципиальной схем блока;
— разработка конструкции блока;
— экономическое обоснование и охрана труда.
Используемыев настоящее время устройства управления временем в основном построены надискретных элементах или представляют собой механические крупногабаритные реле,и обеспечивают, как правило, относительно большую погрешность контроля процессадля современного производства. В данном дипломном проекте будет разработанмодуль управления временными параметрами, встраиваемый в шкафы промышленнойавтоматики, благодаря которому упрощается процесс регулирования, задания иобработки информации, при этом обеспечивается обмен информацией с центральнымкомпьютером типа IBM PC. Так же данное исполнение позволяетувеличить точность отсчета времени.
Входе дипломного проектирования будет проведен выбор и обоснование элементнойбазы, материалов конструкции, компоновочной схемы, метода и принципаконструирования.
Правильностьи целесообразность принятых решений должны подтвердить проведенныеконструкторские расчеты, выполненные с помощью ЭВМ. Кроме этого будет проведенаоценка технологичности конструкции, разработана технологическая схема сборки, атак же маршрутная и операционная технология.
1 Анализтехнического задания
1.1 Назначение
Разрабатываемоеустройство предназначено для управления временными параметрами контролируемогопроцесса .
1.2Основание для разработки
Основаниемдля разработки устройства является задание на дипломное проектирование.
1.3Источники разработки
Устройстводолжно быть разработано на базе уже существующих схемных решений аналогичныхустройств.
1.4Технические требования
1.4.1Состав изделия и принцип работы
Устройство собрано на микроконтроллере МС68НС711Е9 фирмы Motorola. Реализована возможность записиизменений временных значений в энергонезависимую память.
1.4.2Устройство должно иметь следующие технические параметры:
Устройство разрабатывается на базе микроконтроллера МС68НС711Е9.
Конструктивно устройство выполняется в виде отдельного блока.
Напряжение питания ≈220 В.
Мощность, потребляемая прибором от сети электропитания, недолжна превышать 10 Вт.
Габаритные размеры не более не более 200х150х100.
1.4.3Требования к надёжности
Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10000 часов внормальных условиях эксплуатации.
Среднее время восстановления прибора обслуживающим персоналомдолжно быть не более 2 часов. После восстановления работоспособности устройстводолжно сохранять показатели назначения, указанные в данном пункте. Средний срокслужбы не менее 10 лет с учётом ремонтно-восстановительных работ.
1.4.4Конструкторско-технологические требования
Конструкция устройства должна обеспечивать свободный доступ ксоставным элементам изделия при проведении пуско-наладочных и ремонтных работ.
Материалы и комплектующие изделия должны применяться подействующим стандартам и техническим условиям на них.
Показатели технологичности конструкции изделия должнысоответствовать ГОСТ 14.201-73.
Устройство должно удовлетворять требованиям эргономики поГОСТ 12.2.032-78, ГОСТ 12.2.033-78 и общим требованиям эстетики по ГОСТ24750-81.
1.4.5Условия эксплуатации
Разрабатываемое устройство должно быть рассчитано наэксплуатацию в условиях по ГОСТ 21552-84 (группа3) при температуре от -25 до+50 ˚С и относительной влажности 40 — 80% при 35 ˚С.
Устройство должно быть устойчиво к воздействию атмосферногодавления от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм. рт. ст. ).
По стойкости к климатическим и механическим воздействиямустройство должно соответствовать ГОСТ 21552-84.
1.4.6Требования к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению
Маркировка разрабатываемого устройства должна соответствоватьГОСТ 21552-84. она должна содержать:
полное торговое наименование по ГОСТ 26794-85;
торговый знак и (или) наименование предприятия изготовителя;
месяц и год выпуска;
отметку ОТК предприятия изготовителя;
порядковый номер изделия по системе нумерации предприятияизготовителя;
предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006;
обозначение стандарта на модуль;
дополнительные требования (определяет предприятиеизготовитель);
место и способ нанесениямаркировки устанавливается в ТУ на модуль. Транспортирование приборовосуществляется всеми видами закрытого транспорта с соблюдением правил и норм,действующих на каждом виде транспорта.
Приборы следует хранить на стеллажах в транспортной тарепредприятия изготовителя. Расстояние между стенами, полом хранилища и приборамидолжно быть не менее 100 мм. расстояние между отопительными устройствамихранилищ и приборами должно быть не менее 0.5 м.
1.5Экономические показатели
Типпроизводства – серийное./>
1.6Порядок испытаний
ПоГОСТ 11478-88 аппаратуру в зависимости от условий эксплуатации подразделяют на4 группы. Разрабатываемое устройство относится к группе 1 (условия эксплуатации- в производственных помещениях).
Нааппаратуру этой группы действуют следующие дестабилизирующие факторы :
синусоидальныевибрации;
различныемеханические воздействия при транспортировке;
пониженнаяи повышенная температура среды;
повышеннаявлажность воздуха;
воздействиепыли.
Для того, чтобы выяснить, как поведет себя аппаратурапри воздействии этих факторов, а также для проверки соответствия ееустановленным в техническом задании требованиям, проводят испытания аппаратурына воздействие внешних механических и климатических факторов.
Опытный образец изделия должен быть подвергнутпредварительным и приёмо-сдаточным испытаниям. Они должны проводиться насоответствие требованиям ТЗ по согласованным и утверждённым программе иметодике.
2ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
Цельюпатентных исследований является получение исходных данных для обеспечениявысокого технического уровня и конкурентоспособности объектов техники, дляиспользования современных объектов НТП и исключения неоправданного дублированияисследований и разработок.
Проведемкраткое описание изобретений.
Цифровой контроллер DC ЗООО.
Универсальный цифровой контроллер DC ЗООО — микропроцессорныйавтоматический контроллер в соответствии со стандартом ¼ DІМ. Контроллер обеспечивает высокуюстепень функциональных возможностей в сочетаниис простотой зксплуатации.
Стандартная точность контроллера — +/-0,2О% от диапазона. DС 3000 представляет собой идеальныйконтроллер для регулирования температуры и других переменных процесса внагревательных и холодильных установках различного назначения,металлообработке, пищевой и фармацевтической промышленности, в испытательныхустановках и средствах заш, иты окружаюш, ей среды.
Специальные вакуумные флуоресцентные дисплеи с подсказками и сообщениямина английском языке обеспечивают удобство работы с контроллером.Запрограммированные последовательности вывода информации на дисплейобеспечивают быстрый и точный ввод настраиваемых параметров. Используянесложные комбинации клавиш, можно устанавливать конфигурацию входных величин идиапазона, задавать рабочие параметры в соответствии с требованиямиуправляемого процесса и при необходимости вносить в них изменения. Тактильнаяклавиатура обеспечивает обратную связь с оператором.
Контроллер устойчив к внешним воздействиям. Его можно установитьпрактически в любом месте: на стене, на панели и даже на корпусе машины.Контроллер может работать при окружаюцей температуре до 55°С, устойчив квибрациям, толчкам и ударам.
Средства самодиагностики, отказоустойчивая конструкция и надежнаяклавиатура обеспечивают надежную безотказную работу.
ВОЗМОЖНОСТИ И ДОСТОИНСТВА
Специализированные дисплеи — вакуумные флуоресцентные дисплеи ссообщениями на английском языке обеспечивают оператора информацией о текущем состояниипроцесса. Индикатор отклонения (в виде полосы) указывает отклонение (до +/-10% диапазона)между заданной величиной и переменной процесса.
Универсальные изолированные входы допускают подключение термопары,резистивного термометра, милиамперных, миливольтовых и вольтовых входных сигналов. Все входынастраиваемые, не требуют калибровки.
Контроллер позволяет выполнять следующие функции:
— возможность настройкидействий в случае отказа термопары ;
- простаянастройка ( запросы на английском языке обеспечивают настройку конфигурациикснтроплера в логической последовательности);
- ручные н автоматические режимы – удобный, без каких-либопромежуточных действий переход из одного режима в другой;
- алгоритмы управления — контроллер может быть настроен на двухрежимное управление (включено-выключено), с ручным сбросом, трехпозиционного пошагового управления.
- нагрев/охлаждение- имеется возможность разделения диапазонов управления с независимыми константаминастройки для ПИД-управления: для нагрева, для охлаждения и смешанные.
- управляющие выходы — пропорциональный времени, пропорциональный току или пропорциональный позиции,двухрежимный (включен-выключен), пропо рциональный времени дуплекс илипропорциональный току дуплекс, ток/релейный дуплекс ;
- две локальные заданныевеличины — могут выбираться через клавиатуру или дополнительный дистанционныйпереключатель.
- выборсигнала тревоги — один или два настраиваемых сигнала тревоги., предупреждающих окритическом состоянии процесса.
- линейноеизменение заданной величины — один программируемый участок линейного изменения заданнойвеличины длительностью до 255 минут.
- программированиеизменения заданной величины — программирование и сохранение нескольких (дошести) сегментов линейного изменения и сохранения заданной величины,ис: пользуемых в одной программе (или в нескольких небольших программах).
- дополнительныевозможности — автонастройка с автотоматическим расчетом оптимальных константнастройки, дополнительный выход 4--20 мА, масштабируемый в соответствии с любымпредставляемым параметром; канал связи для подключения к управляющемукомпьютеру; программирование изменения заданной величины, позволяюш, ее указать дошести сегментов линейного изменения и до шести сегментов сохранения постоянногозначения заданной величины; цифровой вход для дистанционного выбора заданныхвеличин, режимов управления, действий контроллера, выполнения / фиксации линейногоизменення заданной величины, программы изменения заданной величины.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Точность обычно в пределам +/-0.20% диапазона ( для цифрового отображения+/ — 1 цифра).
Для достижения номинальной точности может потребоваться калибровка наместе. Это требуется для температур ниже –2ОО°F.
Параметры настройки:
коэффициент передачи (%)- 0,1;
cкорость 0 ,0 8 — — 10 ,0 0 м и н у т. Сброс 0,02 — 50,00 минут/повтор илиповторов/минуту;
э.ле к т ро п и т а н и е: 120/240 В, 50 или 60 Гц;
ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА
Верхний дисплей (6 разрядов):
— при нормальной работе отображается переменная процесса (4 цифры);
- в режиме конфигурирования отображается величинаили выбранное значение параметра.
Нижний дисплей (8 разрядов):
-при нормальной работе отображаются рабочие параметры вел и ч и н ы ;
— в режиме конфигурирования отображаютсяназвания параметров.
Цифровой контроллер DC 2000 Міnі-Рго
Универсальный цифровой контроллер DC 2000 Міnі-Рго — это недорогой прибор семейства моделей фирмы НonеуwеІІ. Он осуществляет текущий контрольза управлением температурой и другими переменными параметрами в такойаппаратуре, как климатические камеры, машины обработки пластмассы, печи итермостаты, оборудование для упаковки.
Универсальный цифровой контроллер DС 2000 Міnі-Рго можно использовать для контроляпеременных параметров, таких как температура, давленне, поток, уровень нповорот.
Универсальный цифровой контроллер DС 2000 Міnі-Рго имеет определенной конфигурациидисплей, который обеспечивает простые подсказки для упрощения работы сприбором. Программируемые последовательности команд дисплеев обеспечиваютбыстрый и точный ввод всех конфигурационных параметров. Простая клавиатурапозволяет изменять рабочие параметры для полного удовлетворения требованийконтроля процесса.
Техническне данные/преимущества
Легкость конфигурирования — яркий специальный дисплей обеспечивает непосредственноподсказки на английском языке, что позволяет задавать необходимые установки сминимальными затратами времени и усилий.
Универсальные входы — допускают использованне 10 тонов термопарпосредством простого конфигурирования.
Надежность термопар — конфигурируемый с масштабированием вверх и вниз не нагреваемый и надежныйвыходной уровень.
Высокая помехоустойчивость — универсалыный цифровой контроллер DС 2000 Міnі-Рго разработан для обеспеченнянадежных характеристик в окружающей среде промышленного производства, котораячасто воздействует на высокочувствительные к помехамэлектронное оборудование.
Двойное управление параметрами- простой клавишный выбор позволяет быстропереключаться от основной к альтернативной программе с минимальныминеудобствами для оператора.
Диагностические/сигнальные выходы — постоянные диагностические программыобнаруживают возникающие неисправности, переключают выходное значениеобнаружения отказа и идентифицируют неисправность, чтобы до минимума сократитьвремя устранения неисправности.
Высокая надежность — долговременная память гарантирует сохранностьинформации при потере электропитания. Надежность клавиатуры не допускаетслучайные или не санкционированные изменения в процессах.
Конфигурация дисплея по умолчанню — может быть конфигурация для показапеременных процесса или контрольной точкм, вместо пустого дисплея в процессенормальной работы.
Алгоритмы контроля — контроллер может быть конфигурирован для режимов:двухрежимное управление, с ручным сбросом или трехпозиционного пошагового контроля.
Дополнительные особенности
Дистанционная контрольная точка — 4 — 20 мА или 1 — 5 В входы,используемые для дистанционных сигналов.
Выход РV — этот выходной сигналпеременной процесса можно масштабировать от 0 до 5 В или от 1 до 5 В вдиапазоне от 0 до 100% для любого требуемого диапазона.
Контактный вход — позволяет станционарный выбор: локальной контрольнойточки от дистанционной, локальной контрольной точки 2 от локальной контрольнойточки 1.
Выбор предупредительных сигналов — отсутствие, одно или два реле длязапуска внешних устройств, когда достигаются предварительно установленные верхние/нижниеточки.
Имеется индикатор для каждого тревожного сигнала в интерфейсе оператора.Для дуплексной работы применяется только один предупредительный сигнал. Фиксированныйгистерезис аварийного сигнала 0,5% входного диапазона.
Автонастройка — при разрешенном состоянии позволяет автоматическивычислять и вводит в память оптимальные параметры настройки, требуемые дляпроцесса. Эта особенность быстрой настройки позволяет получить приблизительныеконстанты настройки.
Линейное изменение/ программа — позволяет запускать одиночное линейноеизменение или программу и записывать в память 6 линейных измененнй и 6сегментов для программирования контрольной точки. Прогон или удержаниепрограммы выбирается клавиатурой или дистанционным переключателем.
Универсальный цифровой контроллер DС 2000 Міnі-Рго применяется с нижеперечисленными типами выходов.
Пропорциональный временной — обеспечивает режим включено/выключено (Оn-Off) или пропорционально временной(релейный) выход. Релейный выход является стандартным, дополнительным выходомявляется выход для полупроводниковых реле.
Пропорциональный токовый — обеспечивает токовый выход для конечныхрегулирующих элементов, которые требуют сигнала 4-20 мА.
Пропорциональный временной дуплексный — (Нагрев/Охлажденне) в зависимостиот выбранного алгоритма управлення этот дуплексный выход может обеспечиватьвключение-выключение или дуплексное пропорционально временное регулирование.
Пропорционально временной дуплексный выход обеспечивает независимые константыи два пропорционально-временных выхода: один для зоны нагрева выше 50%выходного сигнала и другой для зоны охлаждения ниже 50% выходного сигнала.
Контроллер процессов DC512
Контроллер процессов DС512 являетсяприбором на основе микропроцессоровстандарта DIМ, способным осуществлягь слежение и управление большимколичеством разнообразных процессов и переменных параметров процессов. Егоширокий и гибкий набор входов и выходов вместе с мощными возможностямипрограммного обеспечения делают его подходящим выбором для осуществленияжесткого контроля буквально во всех областях промышленности, от переработкипищевых продуктов до химической технологии и термообработки, поскольку ондостаточно экономически эффективен, чтобы удовлетворять требованиям поставщиковтехнологического оборудования.
Уникальные модульные сменные карты контроллера DC512 позволяют пользователю легковыполнять изменения входа, выхода и функций реле системы безопасности впроизводственных условиях.
Опции входов поступления информации об управляемом процессе включают термопару, резнстивный детектор температуры (сразрешением 1° или0,1°) и напряжение/ток. Входы напряжения или тока можнолинеаризовать с помощью заданной 10-точечной кривой линеаризации или функциинаименьших квадратов. Смещение входного значения сигнала позволяет пользователюлегко компенсировать деградацию сенсоров или разбаланс передатчика. Все входыполностью изолированы от управляющих выходов. Имеется возможность достиженнябольшего уровня изоляции с помощью оптической изоляции входного сигналапеременной величины процесса от остальных входов, выходов и систем передачи данных,чтобы еще более снизить риск возникновения паразитного контура с замыканием наземлю.
Опции выходов сигналов управления включают механнческое реле,твердотельное реле, привод твердотельного реле. Эти типы выходов могут бытьиспользованы в практически любых комбинациях дпя управлення процессаминагрева/охлаждения.
Карта опции выхода сигнала тревоги содержит два механических реле.Сигналам тревоги можно придать независимую друг от друга конфигурацию в видепеременной процесса, диапазонами отклонения. Зона нечувствительности, действиесигнала тревоги и фиксация являются полностью настраиваемыми на определеннуюконфигурацию.
Стандартные входы и выходы включают удаленную точку задания снастраиваемой конфигурацией и смещением; передачу информации о любом переменномпараметре процесса или заданной точке; контактньй вход для внешнего выборарежима ручного управлення, удаленной гочки задания, второй заданной точки;специальное реле «откатов», которое срабатывает, если потерян входнойсигнал или отказал микропроцессор; источник питания 24 В постоянного тока дляэнергообеспечения передающей системы. Все входы всегда находятся в рабочемсостоянии, без замены одного на другой.
Дополнительные свойства DC 512контроллера включают четыре уровня блокировки клавиатуры безударный переход отвыхода автоматического к выходу ручного управления и самонастройка, которая позволяетпользователю регулировать процесс нажатием клавиши. Настраиваемые параметрытакже можно весьма легко выбрагь вручную.
Физическая конструкция включает алюминиевый корпус с мембраной, переднейпанелью, которая отвечает требованиям 3 Национальной ассоциации производителейэлектрооборудования (СІІІА). Все клавиши выпуклой формы контактного типа.
Имеется последовательная линия передачи сообщений со скоростью передачисообщений до 19200 бод, проверка данных избыточным циклическим кодом и функция«крыши», которая управляет контроллером в случае потери возможности передачисообщений.Чрезвычайно эффективный протокол совместим со всеми приборами фирмы Роwers.Имеется специальный пакетпрограммного обеспечення ControlLink для наблюдательного контроля на базе персонального компьютера, а такжепопулярное программное обеспеченне Genesis ControlSeries.
3РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА
1. Вданном разделе необходимо произвести предварительное разбиение разрабатываемогоустройства на составные части, произвести комплекс мер по совершенствованиюконструкции и приведению её к общепринятым используемым стандартам, а такжепроверяеть и уточнить соответствие основных характеристик разработанногоустройства к предъявляемым в технических требованиях. Выбираются способы защитыот воздействия внешних факторов, таких, например, как вибрация, пыль, влага иповышенная температура.
2. Впроцессе расчетов выбирается компоновочная схема устройства, метод и принципего конструирования, производится ориентировочный выбор способа охлаждения ирасчет теплового режима по выбранному способу охлаждения, расчет навиброзащищенность конструкции путем расчета собственной частоты колебанийпечатной платы.
3. Надежностьявляется одним из главных технических параметров, характеризующих ЭВА. Расчетныезначения показателей надежности служат отправным моментом при окончательномвыборе схемных и конструктивных решений. Методика расчетов надежности,теплового режима и виброзащищенности приведена далее.
4. Проектируемоеустройство представляет собой модуль промышленной автоматики. Исходя изклиматических условий модуль предназначен для эксплуатации в закрытомпространстве с исскуственным климатом. Чтобы избежать проникновения пыли ивлаги конструкция должна быть герметична. Исходя из ГОСТ 14254-80 определим степеньзащиты проектируемого блока:
5. Степеньзащиты от проникновения внутрь оболочки внешних предметов- группа 6(пыленепронецаемость).
6. Степеньзащиты от проникновения влаги – группа 6 (защита от водяных паров).
7. Получаемстепень защиты блока –IP66
8. Конструированиеможет быть реализовано различными методами [13]: геометрическим,машиностроительным, топологическим, проектирования моноконструкций, базовым,эвристическим и автоматизированного проектирования. Дадим краткуюхарактеристику некоторым из них.
9. Геометрическийметод. В основу метода положена структура геометрических и кинематическихсвязей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число иразмещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрическихсвойств тела.
10. Этотметод является основным средством решения задачи во всех случаях, когда отконструкции требуется высокая точность взаимного перемещения деталей илидлительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих отрасположения деталей.
11. Машиностроительныйметод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематическихсвязей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, числои размещение которых выбирается из минимизации массы и допустимой прочностиконструкции.
12. Методнашел применение при проектировании несущих конструкций ЭВА всех уровней,кинематических звеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижныхсоединений.
13. Топологическийметод. В основу его положена структура физических связей между ЭРЭ, т. е.Представление конструктивного вида электрической схемы и ее геометрической(топологической) связности, независимо от ее функционального содержания.
14. Топологическийметод конструирования применяется, в первую очередь, для создания пленочныхинтегральных схем, печатных плат, гибких печатных соединителей,электромонтажных чертежей.
15. Базовыйметод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры наконструктивно и схемно законченные части. Базовый метод конструирования и егоразновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы) основываются на принципах агрегатирования, функциональной иразмерной взаимозаменяемости, схемной и конструктивной унификации. Делениебазового метода на разновидности связано с ограничениями схемной иконструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов,блоков).
16. Базовыйметод является основным при проектировании любой современной радиоаппаратурывсевозможного назначения, он имеет много преимуществ по сравнению с другими:
17. наэтапе разработки позволяет одновременно вести работу над многими узлами иблоками, что сокращает сроки проведения разработок; упрощает отладку исопряжение узлов в лаборатории, так как работа любого функционального узлаопределяется работой известных модулей и микросхем; резко упрощаетконструирование и макетирование, сокращает объем оригинальной конструкторскойдокументации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру безкоренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему,конструкцию и конструкторскую документацию;
18. наэтапе производства сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры;упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков имонтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой автоматизации имеханизации производства; повышает степень специализации производства;
19. приэксплуатации повышает эксплуатационную надежность ЭВА, облегчает обслуживание,улучшает ремонтопригодность аппаратуры.
20. Чтобыправильно скомпоновать устройство, необходимо проанализировать егоэлектрическую схему с точки зрения электромагнитной совместимости, тепловойрежим, учесть требования ремонтопригодности и удобство эксплуатации.
21. Существуетбольшое разнообразие видов электрического монтажа. Наибольшее же распространениеполучили проводной и печатный монтаж. Соединения с помощью монтажных проводовприменяются в конструкциях ЭВА для электрического соединения сравнительнокрупных узлов. Электрические же соединения в самих узлах обычно проводятся спомощью печатных проводников, выполненных на печатных платах.
22. Применениепечатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессовсборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает ееповторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.
23. Сцелью повышения процента выхода годных плат, применения на предприятияхунифицированного технологического оборудования и снижения трудоемкостиприменяют единую базовую технологию, которой является:
24. а)химический метод – для односторонних печатных плат;
25. б)комбинированный позитивный (негативный) метод – для двусторонних печатных плат;
26. в)полуаддитивный (электрохимический) метод – для двусторонних печатных плат сповышенной плотностью монтажа (3–5 класс точности).
27. Основнаязадача, решаемая при компоновке ЭВА — это правильный выбор форм, основныхгеометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения впространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры [13]. Напрактике задача компоновки ЭВА чаще всего решается при использовании готовыхэлементов с заданными формами, размерами и весом, которые должны бытьрасположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных,механических, тепловых и других видов связей. Имея прин-ципиальную схему икомпоновочный эскиз функционального узла, можно еще до разработки рабочихчертежей и изготовления лабораторного макета оценить возможный характер ивеличину паразитных связей, рассчитать тепловые режимы узла и его элементов,выполнить расчет надежности с учетом не только режимов работы схемы(электрические коэффициенты перегрузки), но и с учетом рабочих температурэлементов.
28. Методыкомпоновки элементов ЭВА можно разбить на две группы: аналитические имодельные. К первым относятся численные (аналитические) и номографические,основой которых является представление геометрических параметров и операций сними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические инатурные методы, основой которых является та или иная физическая модельэлемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщеннойгеометрической модели.
29. Основойдля всех является рассмотрение общих аналитических зависимостей. Прианалитической компоновке мы оперируем с численными значениями различных компоновочныххарактеристик: геометрическими размерами элементов, их объемами, весом,энергопотреблением и т.п. Зная соответствующие компоновочные характеристикиэлементов изделия и законы их суммирования, можно оценить компоновочныехарактеристики всего изделия и его частей.
4СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
4.1РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
Модульреализован на базе цифрового микроконтроллера МС68НС711Е9 фирмы Motorola.Данный модуль выполняет следующиефункции:
- -ввод склавиатуры требуемого значения времени, вывод текущего значения времени нажидкокристаллический дисплей;
- -регистрациятекущего значения времени и контролируемого параметра в энергонезависимойпамяти;
- -выдачу сообщенияоб отклонении сигнала от заданного на ЖКИ и центральный компьютер;
- -обменинформацией с центральным компьютером типа IBM PC ;
- -регулированиеконтролируемого параметра во времени по заданному закону.
Проанализироваввыполняемые функции выделим следующие структурные элементы:
- силовая часть;
- электрическаяразвязка;
- управлениеуровнем выходного сигнала;
- наборное поле;
- сбросмикроконтроллера при включении и снижении питания ниже уровня 0,5 В ;
- датчик входногосигнала;
- аналогово-цифровойпреобразователь входного сигнала;
- микроконтроллер;
- ЦАП выходногосигнала для ЖКИ;
- индикация;
- преобразованиеуровней сигнала для связи с центральным компьютером.
Взаимосвязимежду этими структурными элементами приведены в приложении .
4.2ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Выборэлементной базы необходимо производить исходя из условий эксплуатацииустройства. Таким образом, ко всем электрорадиоэлементам схемы, ко всемконструкционным материалам и изделиям предъявляются те же требования, что и ковсему устройству в целом.
ВыборЭРЭ производится на основе требований к аппаратуре, в частности,кинематических, механических и других воздействий при анализе работы каждогоЭРЭ и каждого материала внутри блока, и условий работы каждого блокаконструкции.
Выборрезисторов будем производить учитывая:
- эксплуатационныефакторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды,атмосферное давление и др.);
- значениеэлектрических параметров и их допустимое отклонение в процессе эксплуатации(номинальное сопротивление, допуск, и др.)
- показателинадежности и долговечности;
- конструкциюрезисторов, способ монтажа, массу.
Вцелях повышения надежности и долговечности резисторов (и других ЭРЭ), во всехвозможных случаях следует использовать их при менее жестких нагрузках и воблегченных режимах по сравнению с допустимыми.
Исходяиз схемы электрической принципиальной, определяем, что постоянные резисторыдолжны обеспечивать номинальную мощность 0,0125 Вт. При этом используютсярезисторы сопротивлением 10 Ом.
Учитываявсе эти характеристики (требования по габаритам и массе, требования в областикинематических и механических воздействий), можно сделать вывод, чтоперечисленным требованиям удовлетворяют постоянные непроволочные резисторыобщего назначения типа МЛТ.
Резисторыэтого типа имеют характеристики, приведенные в таблице 4.2.1.
Таблица4.2.1 — Эксплуатационные характеристики резисторов типа МЛТХарактеристика Значение Диапазон номинальных сопротивлений при мощности 0,125 Вт 10 ...100000 Уровень собственных шумов, мкВ/В 1,5
Температура окружающей среды, оС от -60 до +70
Относительная влажность воздуха при температуре +35 оС, % до 98 Пониженное атмосферное давление, Па до 133 Предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока. В 200 Минимальная наработка, ч 25000 Срок сохраняемости, лет 25
Эксплуатационнаянадежность конденсаторов, так же как и резисторов, во многом определяетсяправильным выбором их типа и возможного использования их в режимах, непревышающих допустимые.
Дляправильного выбора типа конденсаторов необходимо, с учетом требований кустройству, принимать во внимание следующие факторы:
- значениеноминальных параметров и их допустимые изменения в процессе эксплуатации(номинальная емкость, допуск и др.);
- эксплуатационныефакторы;
- показателинадежности и долговечности;
- конструкциюконденсаторов, способы их монтажа, габариты и массу.
Сучетом всех выше изложенных требований произведем выбор конденсаторовпостоянной емкости.
Вкачестве таких конденсаторов выбираем конденсаторы типа КМ-6А.
Эксплуатационныехарактеристики конденсаторов этого типа приведены в таблице 4.2.2.
Таблица4.2.2 -Эксплуатационные характеристики конденсаторов КМ-6аХарактеристика Значение 1 2
Температура окружающей среды, оС От -60 до +85 Относительная влажность воздуха, % До 98 Атмосферное давление, мм.тр.ст
10-6 до 3атм. Вибрационные нагрузки с ускорением в диапазоне 5 — 200 Гц 10g Многократные удары с ускорением до 35g Линейные нагрузки с ускорением, не более 100g Тангенс угла потерь, не более 0,0012 Минимальная наработка, ч 15000 Срок сохранения, лет 12
Схемаэлектрическая принципиальная содержит также и полярные конденсаторы. С учетомвсех требований предъявляемых к ним выберем электролитические конденсаторы типаК50-29 .
Эксплуатационныехарактеристики конденсаторов этого типа приведены в таблице 4.2.3.
Таблица4.2.3 — Эксплуатационные характеристики конденсаторов типа К50-29Характеристика Значение
Температура окружающей среды, оС от -20 до +70 Относительная влажность воздуха, % до 98 Атмосферное давление, кПа от 1,3 до 2942 Вибрационные нагрузки с ускорением в диапазоне 1 — 600 Гц до 10 g Многократные удары с ускорением до 15 g Линейные нагрузки с ускорением до 100 g Допустимые отклонения емкости, % от -20 до +80 Минимальная наработка, ч 5000 Срок сохранения, лет 5
Вданном устройстве используются и интегральные микросхемы. При выборе типовмикросхем будем учитывать совместимость их с динамическими параметрами MC69HC11E9 и всоответствии с функциональным назначением микросхем. С учетом этого можновыбрать следующие интегральные микросхемы: КР140УД12, МС145000, МС145407, МС34064, МС7805.
Приведемкраткую характеристику Микроконроллера МС68НС711Е9.
Данное семейство микроконтроллеровявляется одним из наиболее распространенных в мире.Условные обозначения,которыми маркируются микроконтроллеры семейства, имеют вид:
Микроконтроллер содержит внутреннююпамять программ (ППЗУ) емкостью 12 Кбайт, ОЗУ емкостью 512 байт. Модель имеютвнутреннее ЭСППЗУ емкостью 512 байт.Микроконтроллер работает при напряжениипитания Vn = 5 В, имеет максимальную тактовую частоту до Ft = 4 МГц.Потребляемая мощность составляет 150...300 мВт в диапазоне тактовых частот Ft = 2...4 МГц. Врежиме ожидания мощность снижается в 2 раза, а в режиме останова не превышает250 мкВт.
Рассмотрим особенности функционированияпериферийных модулей, используемых в микроконтроллерах этого семейства.
Модель содержит 16-разрядный таймер,который имеет три входа фиксации 1C, четыре выхода совпадения ОС. Эти таймерыслужат также для генерации периодических прерываний и контроля выполненияпрограммы с помощью сторожевого устройства (watchdog). Крометаймера микроконтроллер имеет также 8-разрядные счетчики импульсов.
Микроконтроллер содержит асинхронный исинхронный последовательные порты SCI, SPI, 8-разрядныйАЦП,, число аналоговых входов 8.
Внешний вид корпуса показан на рисунке4.1
/>
Рис.4.1 Корпус микроконтроллераМС68НС711Е9
Номинальные значения в мм
A 1.10
A1 0.64
A2 0.10
E1 12.00
E 10.00
D1 12.00
D 10.00
n1 16.00
n 64
c 0.15
B 0.22
L 0.30
R1 0.08
R2 0.14
alpha 10
beta 12
phi 3
L1 0.20
p 0.50
X 0.89
Микросхема МС145407 размещается вкорпусе 751D-04.Вид корпуса показан на рисунке 4.2
/>
Рис.4.2 Микросхема МС145407
4.3РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Модульреализован на базе цифрового микроконтроллера МС68НС711Е9 фирмы Motorola, выполнен в виде платы и размещаетсяв корпусе. Модуль был разработан для задания и контроля продолжительности циклатехнологического процесса .
Ядроммодуля является процессор микроконтроллер МС68НС711Е9. МикроконтроллерМС68НС711Е9 представляет собой микросхему МС68НС711Е9 (DD6). Схемотехническое изображение микросхемы представлено нарис.4.3.
входыРВ0/А8…РВ7/А15-oбращение кпараллельному порту PORTB;
входыРС0/АD0…РC7/АD7-oбращение к параллельному порту PORTC;
входыРE0…РE7- oбращениек параллельному порту PORTE;
входыРA0/IC3…РA7/OC1 используются для обращения крегистрам таймера;
входXIRQ –запрещает обслуживание внешнего прерывания;
Reset-сигналначальной установки микроконтроллера;
Сигналына входах MODA,MODB воспринимаются микроконтроллером в процессе начальнойустановки.В дальнейшем на вход MODAвыдается сигнал LIR=0, позволяющийосуществить контроль за работой микроконтроллера в процессе отладки цифровойсистемы.
IRQ–задает значение внешнего сигнала запроса прерывания.Сигналы XTAL,EXTAL предназначены для задания частоты следованияимпульсов генератора тактовых импульсов.Импульсы поступают на выход Емикроконтроллера и синхронизируют работу других устройств системы.
/>
Рис.4.3ИМС МС68НС711Е9
Дляконтроля отклонения регулируемого параметра используется оптоэлектронная параАОТ110А.Она представляет собой транзисторную оптопару средней мощности.Излучателем служит диодная структура на основе твердого растворагалий-алюминий-мышьяк; приемник-кремниевый составной фототранзистор.Выпускаетсяв металлостеклянном корпусе.Вид корпуса и УГО показаны на рисунке 4.4.
/>
Рис.4.4 Оптопара АОТ110А
АОТ110А имеет следующие параметры:
Электрическиепараметры при Токр=25С
-Входноенапряжение при Iвх =25мА не более2В;
-Выходноеостаточное напряжение не более 1,5В;
-Токутечки на выходе не более 100мкА;
-Входнойток номинальный 10мА;
-Времявключения 1-50мкс;
-Времявыключения 5-100мкс;
-Сопротивлениеизоляции не менее 10 ГОм;
Предельныеэксплуатационные данные
-Входнойпостоянный или средний ток:
приТокр=35С 30 мА;
приТокр=70С 15 мА;
-Входнойимпульсный ток ti:
приТокр=35С 100 мА;
приТокр=70С 85 мА;
-Входноеобратное напряжение 0,7 В;
-Средняярассеиваемая мощность
приТокр=35С 80 мВт;
приТокр=70С 360мВт;
-Выходнойток 200мА;
-Дипазонрабочей температуры окружающей среды -60..+70С.
Преобразованиесигнала датчика в напряжение, поступающее на вход микроконтроллера, выполняютдва операционных усилителя К140УД12. Это микромощный операционный усилитель срегулируемым током потребления и защитой выхода от короткихзамыканий.Микросхемы конструктивно оформлены в корпусе типа 301.8-2.
/>
Рис.4.5 Функциональная схема включения ИМС К140УД12
Электрическиепараметры ИМС приведены в таблице 4.3.1
Таблица4.3.1 Электрические параметрыПараметры Значение Uип, В +15 Iпот, мА 0,03 Iвх, нА 100 Uсм, мВ 6 Uвых+, В 10 Uвых-, В -10 Ky 50000 Кос.сф, дБ 70 Rвх, Мом 50000 Rвых, кОм 125
Подстроечныерезисторы в цепях обратной связи усилителей обеспечивают установку диапазонаизмеряемых параметров в заданных пределах.
Управлениемощностью управляющего элемента осуществляется симмистром с фазовым управлением, которое реализуется с помощью таймера микроконтроллера.При переходе сетевогонапряжения через 0 оптронная пара АОТ110А формирует импульс напряжения,поступающий на вход фиксации IC1таймера.На выходе совпадения ОС2 таймера вырабатывается сигнал управлениясиммистром. Оптоэлектронные пары АОУ103В обеспечивают электрическую развязкумежду схемой управления и силовой частью.Общий вид оптопары и УГО показаны нарисунке 4.6
/>
Рис.4.6Общий вид АОУ103В
АОУ103В имеет следующие параметры:
Электрическиепараметры при Токр=25С
-Входноенапряжение при Iвх =10мА не более2В;
-Выходноенапряжение при открытом состоянии фототирристора не более 2В;
-Входнойимпульсный ток срабатывания не более 80мкА;
-Входнойток срабатывания не более 10мА;
-Времявключения 15мкс;
-Времявыключения 100мкс;
-Сопротивлениеизоляции не менее 10 ГОм;
Предельныеэксплуатационные данные
-Входнойпостоянный или средний ток 55 мА;
-Входнойимпульсный ток не более 500 мА;
-Входноеобратное постоянное напряжение 200В;
-Выходнаярассеиваемая мощность 130мВт;
-Выходнойпостоянный прямой ток 100мА;
-Дипазонрабочей температуры окружающей среды -50..+70С.
МикросхемаМС34064 служит для сброса микроконтроллера в момент включения питания и приснижении напряжения питания ниже 4,5В.УГО микросхемы показана на рисунке 4.7,размещается в корпусе Р-5/29.
/>
Рис.4.8 Микросхема МС34064Р-5
МикросхемаМС34064 имеет следующие параметры:
минимальныйвыходной ток-10мА;
поддерживаемоенапряжение-1.0-10В;
напряжениепитания-5,0В;
максимальныйвходной ток-500мА;
диапазонрабочих температур-0..70С.
МикросхемМС7805 служит для стабилизации напряжения +5..8В до уровня 5В.Конденсаторы С8, С9поддерживают напряжение при внезапных скачках напряжения.Схема подключенияМС7805 показана на рисунке 4.9
/>
Рис.4.9Микросхема МС7805
Связьс персональным компьютером осуществляется через асинхронный последовательныйпорт SCI.При этом преобразования уровнейвыполняется с помощью микросхемы МС145407.
Клавиатурареализована в виде матрицы 4Х4 и подключена к восьми выводам параллельногопорта С.Младшая тетрада выполняет функции линий опроса, старшая –функции линийвозврата.Вывод информации производится на семи-сегментный ЖКИ LXD69D3FO9KG9, в котором используются шестьразрядов. Управление индикатором осуществляется с помощью микросхемыМС14500, которая принимает данные от микроконтроллера через синхронныйпоследовательный порт SPI.
Управлениеблоком осуществляется программой, записанной в ППЗУ микроконтроллера, котораяосуществляет контроль и вывод на дисплей текущего значения времени, опросклавиатуры, регулирование контролируемого параметра в заданных пределах,связь с центральным компьютером.
Такимобразом, в ходе схемотехнического проектирования была разработана схемаэлектрическая принципиальная ( см. Приложение).
5Разработка конструкции модуля
5.1Расчет элементов печатного монтажа
5.5.1Печатные платы
Применениепечатных плат, позволяет увеличить:
а)надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;
б)технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;
в)плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;
г)быстродействие;
д)помехозащищенность элементов и схем.
Печатныеплаты (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы междусобой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащийнеобходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности,так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).
Вкачестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики(ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытыедиэлектриком и т.д.). Проводящий рисунок на основании может быть полученобработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданиемметаллических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесениемпленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные иаддитивные методы).
Взависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткиепечатные платы. Определен ряд значений толщин оснований печатных плат: гибких(0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких (0.8, 1.0, 1.5, 1.8, 2.0, 3.0 мм).
Поконструктивному исполнению ПП классифицируются на односторонние печатные платы(ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойныхсоединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающимивыводами, открытыми контактными площадками и т.д.
Приразработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:
а)конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы,контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоеви т.д.
б)схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметровлиний связи и т.д.
в)теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод и т.д.
г)технологические: выбор метода изготовления, защита и т.д.
Всеэти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеровпроводников и их электрические характеристики; от расположения печатныхпроводников — степень влияния их друг на друга и т.д.
Внастоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовленияпечатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать приэскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основныегабариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.
Комбинированныйметод. Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается вхимическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизациеймонтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводникишириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 — 0,3 мм. Существуетнесколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.
Конструированиепечатных плат осуществляется ручным, полу автоматизированным иавтоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматриваеткодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники(ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечиваетболее высокую производительность при конструировании и разработкеконструкторской документации.
Особоезначение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. Внастоящее время их используется до нескольких десятков. Одними из основныхдокументов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79.ГОСТ 23751-86 устанавливаетосновные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактныхплощадок, отверстий и т.п.), позиционные допуски расположения элементовконструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования кконструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости иперепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.
Печатныеплаты должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры впределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних ивнутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучениятребований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав котороговходят ПП (электронного модуля, печатного узла и т. п.), выясняют те из них,которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП.Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборкиузлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости и др.
Привыборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующиефакторы:
возможностьвыполнения всех коммутационных соединений;
возможностьавтоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;
технико-экономическиепоказатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС, такие как, стоимость,габариты и др.
Возможностьвыполнения всех коммутационных соединений может быть приближенно оценена путемрасчета трассировочной способности и количества слоев ПП.При выборе типа ППследует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкиекоммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышеннойремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационныеспособности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокойстоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.
Исходяиз вышесказанного в конструкции модуля будем использовать многослойную печатнуюплату изготовленную комбинированным позитивным методом.
Послевыбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатныхплат. ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения размеровэлементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежныв эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса — требуют использования высококачественныхматериалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунокна основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриковсубстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов,дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП.Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесениемметаллических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов,нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы ). Класс точности определяет наименьшиеноминальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как:ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников(контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактнойплощадки и др. Естественно, что выбор определенного класса точности на даннойстадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующимирасчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы,а также из конструктивно-технологических и других соображений. Исходя извышеизложенного выбираем третий класс точности печатной платы.
Особоезначение имеет выбор формы и размеров печатной платы. Приемлемым являетсярасположение межсоединений или на одной ПП (идеальное решение) или хотя бы наминимальном их количестве. Вследствие этого целесообразно применение крупноформатныхпечатных плат. С другой стороны проще выполнять раскладку печатных проводниковна небольшой плате. Поскольку важнейшими параметрами конструкций печатных платявляются электрические параметры, в значительной мере определяющиебыстродействие ЭВС, то это обстоятельство также влияет на выбор размеров ПП.
Другимикритериями выбора размеров, формы, а также мест крепления ПП могут быть,например, установочные размеры узлов, размеры и форма ИЭТ; эксплуатационныехарактеристики ЭВС; использование автоматизированных методов установки навесныхэлементов, пайки, контроля, а также другие технико-экономические показатели.Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 и другим НТД,разработанным в его ограничение. Такими НТД, например, могут являться ГОСТы,ОСТы или СТП, определяющие типоразмеры конкретных систем базовых конструкций ЭВС.Обычно рекомендуется разрабатывать ПП прямоугольной формы с соотношением сторонне более 3:1.
Толщинуоснования печатной платы H п, в основном, определяют в зависимостиот механических нагрузок на печатную плату и от ее конструктивных особенностей.Толщина печатной платы также определяет технологические возможностиметаллизации отверстий.
ТолщинуМПП определяют толщиной материала основания с учетом толщины фольги. Если напечатной плате конструктивно размещаются концевые печатные контакты (ламели)разъемных соединителей прямого сочленения, то при выборе толщины ПП следуетучитывать, что допуск на суммарную толщину ПП и на соединитель должны сопрягаться,следовательно, выбираем толщину печатной платы равную 2 мм.
Выборматериала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математическиххарактеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механическихнагрузок, агрессивных химических средств и т.п. В некоторых случаях в качествематериалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика,металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы .
Сцелью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости,защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материаламитаких покрытий обычно являются: сплав Розе (1.5-3 мкм); сплав О-С (9-15 мкм);серебро-сурьма (6-12 мкм); медь (25-30 мкм) и др.
Длязащиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы отвоздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыканиянавесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основеэпоксидных и др. смол, лаков, эмалей и т.п.
5.1.2Конструкторско-технологический расчет элементов печатного рисунка
Расчетэлементов печатного рисунка обычно включает две основные стадии: конструкторско-технологическийрасчет параметров элементов и расчет электрических параметров. Наравне сэлектрическими параметрами печатных плат необходимо определить такиеконструктивно-технологические параметры печатной платы, как ширина и шагтрассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, числопроводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметротверстий на плате до и после металлизации.
Прирасчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологическиеособенности производства, допуски на всевозможные отклонения значенийпараметров элементов печатного монтажа, установочных характеристик корпусовИМС, требования по организации связей, вытекающие из схемы электронногофункционального узла, а также перспективности выбранной технологии.
Исходныеданные для конструкторско-технологического расчета элементов плат следующие: шагкоординатной сетки по ГОСТ 10317-79 и равный 2,5 мм; допуски на отклоненияразмеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящихот уровня технологии, материалов и оборудования; установочные характеристикинавесных элементов.
Расстояниемежду центрами двух соседних отверстий на плате (контактных площадок) L условноделят на зоны :
а)контактной площадки;
б)печатного проводника;
в)зазора (между контактными площадками, печатными проводниками и контактнымиплощадками и проводниками);
Понятие«зона печатного элемента» включает не только номинальное значение их размеров икоординат, но и допуски на отклонение этих размеров от номинальных значений:
/> , (5.1)
где />ширина зоныконтактной площадки, мм;
/> ширина одногопечатного проводника, мм;
/> число проводниковмежду двумя соседними контактными площадками, шт;
/> ширина зазорамежду соседними печатными элементами, для третьего класса точности равна 0,25мм. ;
/> шаг основнойкоординатной сетки;
/> коэффициентшага основной координатной сетки.
С учетомдопусков на размеры печатных элементов:
/> , (5.2)
где /> максимальныйдиаметр контактной площадки, мм;
/> максимальнаяширина печатного проводника, для третьего класса точности равна />;
/> величинамаксимального отклонения оси печатного проводника (или центра контактнойплощадки) от номинального положения, определяемая точностью изготовленияфотооригинала и размерной стабильностью фотошаблона и равна />;
/> предельнаявеличина зазора, при которой еще гарантируется надежная изоляция печатныхэлементов друг от друга />.
Диаметрконтактной площадки не может быть меньше величины, обеспечивающейгарантированную ширину металла вокруг просверленного отверстия. С учетомвозможного смещения центра отверстия относительно центра контактной площадки:
/> , (5.3)
где Dс — диаметр зоны сверления с учетом допусков на смещение центраотверстия, мм;
/> минимальнаяширина гарантированного пояска, принимаемая для всех типов плат равной />.
Величиназоны сверления /> складывается из диаметра отверстияи допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (в случаеМПП), а также точность фотошаблонов:
/> , (5.4)
где /> диаметротверстия до металлизации;
/> величинасмещения фотошаблонов МПП. Для всех типов плат современная технологиягарантирует не хуже />;
/> величинаотклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностью оборудованияи составляет при ручном сверлении />,
ВыводыИМС и других навесных радиоэлементов вставляют в металлизированные отверстияпечатной платы. Для этого необходимо, чтобы диаметр отверстия послеметаллизации был равен:
/> , (5.5)
где />эквивалентныйдиаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов, контактов разъема, равный />;
/> величина зазора,обеспечивающая установку выводов в отверстия и их распайку />.
Следовательно,
/>
Сучетом толщины слоя металлизации стенок отверстий, диаметр отверстийопределяется по формуле:
/>, (5.6)
где />толщина слояметалла на стенках отверстия />.
Следовательно,
/>
Шагтрассировки печатных проводников определяется выражением:
/> (5.7)
Следовательно,
/>
Диаметрпереходного отверстия рассчитывается по формуле:
/>, (5.8)
где /> толщинапечатной платы, принимаем равной />
Следовательно,
/>
Принимаемдиаметр переходного отверстия равный />
Поформуле (5.3) рассчитаем диаметр контактной площадки переходного отверстия:
/>
Поформуле (5.4) рассчитаем диаметр зоны сверления монтажных отверстий:
/>
Поформуле (5.5) рассчитаем диаметр контактной площадки монтажных отверстий:
/>
Минимальноерасстояние для прокладки />го количества проводников междудвумя отверстиями с контактными площадками определим по формуле (3.18):
/>
т.е.между двумя контактными площадками можно провести только один проводник.
Подтвердимданный расчет, расчетом на ЭВМ. В приложении 1 приведены результаты расчетаэлементов печатного рисунка на ЭВМ.
Произведемрасчет максимальной длины печатных проводников.В печатных платах ЭВС проводникипроходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малыелинейные размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовыхчастотах параметры печатных проводников, соединяющих выходы этих элементов свходами других, не оказывают существенного воздействия на быстродействие всейсхемы в целом и на помехоустойчивость элементов.
Сувеличением быстродействия схемы все большее значение приобретают вопросывысокочастотных связей. Особенно это важно в микроэлектронных изделиях,поскольку время переключения составляет единицы и доли наносекунд и высокаплотность размещения микросхем.
Припередаче высокочастотных импульсных сигналов по печатным элементам платы из-заналичия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности иемкости, сопротивления утечки между проводниками и др., сигналы задерживаются,«отражаются», искажаются, появляются также перекрестные помехи. Поэтомунеобходима проверка электрических параметров печатных проводников попеременному току.
Распределениепеременного тока по сечению печатного проводника вследствие поверхностного эффектанеравномерно. При протекании по проводнику высокочастотного переменного токавнутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновениюиндукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходитперераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность впериферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. Наочень больших частотах ток практически равен нулю во внутренних слояхпроводника.
Емкостьмежду печатными проводниками, используемыми в качестве линий связи в логическихсхемах (также как индуктивность и взаимоиндуктивность) служит источником помех.Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи.
Емкостьмежду параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенной на однойстороне платы:
/> (5.9)
где /> — ширина зазора между соседними печатными элементами;
/> диэлектрическаяпроницаемость среды, которая определяется из выражения:
/> (5.10)
где />диэлектрическаяпроницаемость лака УР-231 (/>);
/> диэлектрическаяпроницаемость материала платы (для стеклотекстолита />).
Следовательно,
/>;
/>
Емкостьмежду двумя параллельными проводниками, расположенными по обе стороны печатнойплаты с толщиной диэлектрика:
/> (5.11)
где />толщинаизоляционного слоя, равная />
Следовательно,
/>
Собственнаяиндуктивность печатного проводника:
/> (5.12)
Следовательно,
/>
Индуктивностьдвух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороныпечатной платы и с заземляющей плоскостью:
/> (5.13)
где /> ширинадвух параллельных печатных проводников, мм.
Следовательно,
/>
Индуктивностьдвух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороныпечатной платы без заземляющей плоскости:
/> (5.14)
Следовательно,
/>
Конструктивнаязадержка в одиночном печатном проводнике зависит от паразитной индуктивности иемкости:
/> (5.15)
где />погоннаязадержка в проводнике;
/>магнитнаяпроницаемость (/>для немагнитных материалов).
Следовательно,
/>
Паразитнаяиндуктивность и емкость определяются по формулам:
/> (5.16)
/> (5.17)
Следовательно,
/>
/>
Дляопределения допустимых величин паразитных связей на печатных платах следуетучитывать динамическую помехоустойчивость применяемых микросхем. Ее следуетрассчитывать для двух случаев:
- ложноесрабатывание: помеха может привести к переключению микросхем функциональногоузла, не предусмотренному алгоритмом его работы;
- сбой сигнала: помеханакладывается на информационный сигнал и препятствует переключению микросхемфункционального узла в соответствии с алгоритмом их работы.
Динамическаяпомехоустойчивость микросхем характеризуется значениями амплитуды импульсапомехи />,длительностью помехи />, при которых еще не происходитпереключения R-S триггера.
Значениедопустимой величины паразитной емкости между двумя соседними проводниками,полученное на основе экспериментального определения помехоустойчивостимикросхем для случаев ложного срабатывания и сбоя сигнала для микросхем серии1533 соответственно равны />
Сбойсигнала следует учитывать в случае максимального быстродействия, при этом обеспечиваетсяусловие отсутствия ложных срабатываний.
Экспериментальнополученное значение допустимой величины индуктивности шин заземления /> в зависимости отвеличин протекающего в них импульсного тока, при которых еще не происходит переключениемикросхем от помех в шине заземления равно />.
Каквидно из вышеизложенного расчета величины паразитной емкости между печатнымипроводниками и их индуктивность не превышают допустимых величин.
Проверочныйрасчет помехоустойчивости печатной платы заключается в расчете допустимых длинпроводников в зависимости от учета одновременного действия емкостной ииндуктивной паразитной связи между двумя параллельно расположеннымипроводниками.
Вэтом случае:
/> (5.18)
где />допустимаядлина параллельно расположенных соседних проводников при воздействии толькопаразитной емкостной связи, см;
/>допустимая длина параллельнорасположенных соседних проводников при воздействии только индуктивнойпаразитной связи, см.
/> (5.19)
/> (5.20)
Следовательно,
/>,
/>
/>
Допустимаядлина шины питания и земли определяется по формуле:
/> (5.21)
где/> паразитнаяиндуктивность шины питания и земли, определяется из выражения:
/> (5.22)
где />длина шиныпитания и земли, см;
/> ширина шины питания и земли, см.
Следовательно,
/>
Поформуле (5.22) определим допустимую длину шины питания и земли:
/>
Величинуемкости конденсатора сглаживающего фильтра /> определяют по формуле:
/> , (5.23)
где /> наибольшаядлительность фронта импульса тока в переключающих схемах;
/> число,показывающее во сколько раз уменьшится амплитуда паразитных осцилляций в шинахпитания, />;
/> суммарная индуктивностьучастков шин питания и заземления, по которым замыкается ток переключения схем.
Следовательно,
/>.
Дляодновременного уменьшения низкочастотных и высокочастотных паразитныхосцилляций в шинах питания рекомендуется параллельно низкочастотномуконденсатору фильтра емкостью порядка /> включать один или несколько (два,три) высокочастотных конденсаторов с малым модулем сопротивления.
Низкочастотныеконденсаторы фильтра рекомендуется устанавливать по одному на каждый номиналпитающего напряжения в непосредственной близости от разъема на плате.
Такимобразом, максимальная длина проводников получилась гораздо больше чем есть вданной конструкции, следовательно данному критерию плата соответствует.
5.2Обоснование выбора материалов и применяемых конструкторских решений
Проектированиесовременной электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) основано на модульномпринципе, на базе которого разработаны функционально-модульный,функционально-узловой и функционально-блочный методы конструирования. Основноетребование при проектировании ЭВА состоит в том, чтобы создаваемое устройствобыло эффективнее своего аналога, то есть превосходило по качествуфункционирования, степени миниатюризации.
Современныеконструирования должны обеспечивать снижение стоимости, в том числе и энергоемкости,уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектроннойбазы, увеличение степени интеграции, микроминиатюризацию межэлементных соединенийи элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификациютеплоотвода, широкое внедрение методов оптимального конструирования, высокуютехнологичность, однородность структуры, максимальное использованиестандартизации.
Разрабатываемоенами устройство является печатной платой, следовательно, от правильногорасположения корпусов микросхем зависят такие параметры как габариты, масса,надежность работы, помехоустойчивость. Чем плотнее будут располагаться корпусамикросхем на плоскости, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем болеежестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будетнаводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние междумикросхемами, тем менее эффективно используется физический объем машины, тембольше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следуетучитывать все последствия выбора того или иного варианта размещения. Выбор шагамикросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновкимикросхем, температурным режимом работы, методом разработки топологии печатныхплат, сложностью принципиальной схемы и конструктивными параметрами корпусамикросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуетсяпринимать кратным 2,5мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше1,5мм.
Микросхемына печатных платах располагаются линейно-многорядно, однако допускается ихразмещение в шахматном порядке. Такое размещение корпусов микросхем позволяет автоматизироватьпроцессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезнуюплощадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения местарасположения корпусов.
Корпусамикросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны платы.Преимущество микросхем со штыревыми выводами — возможность автоматизации сборкии монтажа.
Следуеттакже учитывать, что аналоговые микросхемы следует размещать в одном местеплаты, для исключения помех.
Наначальном этапе компоновки выберем размеры печатной платы соответствующимразмерам оговоренных в техническом задании, а именно 120Х100 мм. В последующемэти размеры будут уточняться.
Привыборе материалов конструкции, также как и при выборе элементной базы,необходимо руководствоваться комплексом взаимосвязанных физико-механических,электрических, технологических, экономических и других требований.
Впервую очередь проведем выбор материала печатных плат.
Основнымиматериалами, применяемыми для изготовления печатных плат, являются слоистыепластики, состоящие из связки и наполнителя. Основные параметры этих материаловприведены в таблице 5.2.1.
Таблица5.2.1- Основные параметры слоистых пластиковПараметр Значение Гетинакс Текстолит Стеклотекстолит Относительная диэлектрическая проницаемость 4,5...6 4,5...6 5...6 Тангенс угла потерь (диэлектрических) 0,008...0,02 0,03… 0,04 0,005...0,02 Объемное удельное сопротивление 10...1000 10...1000 1000...10000 Диапазон рабочих температур, оС от-60 до +80 От -60 до +70 от-60 до +80 Коэфициент теплопроводности 0,25...0,3 0,23… 0,3 0,34...0,74 ТКПР 22 22 8...9 Удельная прочность при растяжении 49 70 180 Удельная прочность при сжатии - 105 42
Выборматериалов для производства печатной платы нашего устройства необходимо производитьисходя из условий его эксплуатации и условий проведения испытаний на прочность.
Материалпечатной платы должен обладать механической прочностью на изгиб и растяжение.Кроме этого материал печатной платы должен иметь диапазон рабочих температур неменьший, чем у всего устройства.
Учитываяэти и другие требования можно выбрать в качестве материала печатной платыстелкотекстолит марки СФ2-35-2 ГОСТ 10316-78.
Привыборе припоя следует учитывать, что припой должен быть легкоплавким, недорогими технологичным. Кроме этого припой должен обладать хорошей адгезией к меди, атакже иметь малое переходное сопротивление. Выберем наиболее распространенныйоловяно-свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Характеристики этогоприпоя приведены в таблице 5.2.2.
Таблица5.2.2 Характеристика припоя марки ПОС-61Характеристика Значение Температура полного раплавления, оС 190 Электросопротивление, мкОм/м 0,12 Прочность паяемых соединений, МПа 30...40
5.3Размещение элементов и трассировка печатной платы средствами САПР
5.3.1Анализ топологии
Проектированиесовременной электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) основано на модульномпринципе, на базе которого разработаны функционально-модульный,функционально-узловой и функционально-блочный методы конструирования. Основноетребование при проектировании ЭВА состоит в том, чтобы создаваемое устройствобыло эффективнее своего аналога, то есть превосходило по качествуфункционирования, степени минитюаризации.
Современныеметоды конструирования должны обеспечивать снижение стоимости, в том числе и энергоемкости,уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектроннойбазы, увеличение степени интеграции, микроминитюаризацию межэлементных соединенийи элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификациютеплоотвода, широкое внедрение методов оптимального конструирования, высокуютехнологичность, однородность структуры, максимальное использованиестандартизации.
Разрабатываемоенами устройство является печатной платой, следовательно, от правильногорасположения корпусов микросхем зависят такие параметры как габариты, масса,надежность работы, помехоустойчивость. Чем плотнее будут располагаться корпусамикросхем на плоскости, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем болеежестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будетнаводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние междумикросхемами, тем менее эффективно используется физический объем машины, тембольше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следуетучитывать все последствия выбора того или иного варианта размещения. Выбор шагамикросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки микросхем,температурным режимом работы, методом разработки топологии печатных плат,сложностью принципиальной схемы и конструктивными параметрами корпусамикросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхемрекомендуется принимать кратным 2,5мм. При этом зазоры между корпусами недолжны быть меньше 1,5мм.
Микросхемына печатных платах располагаются линейно-многорядно, однако допускается ихразмещение в шахматном порядке. Такое размещение корпусов микросхем позволяет автоматизироватьпроцессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезнуюплощадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения местарасположения корпусов.
Корпусамикросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны платы.Преимущество микросхем со штыревыми выводами — возможность автоматизации сборкии монтажа.
Следуеттакже учитывать, что аналоговые микросхемы следует размещать в одном местеплаты, для исключения помех.
Внедрениев инженерную практику методов автоматизации проектирования позволяет перейти оттрадиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию спомощью персональных компьютеров (ПК). Более того, с помощью ПК возможноосуществить цикл сквозного проектирования, включающий в себя: синтез структурыи схемы электрической принципиальной (ЭП) устройства, анализ его характеристикв различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличиядестабилизирующих факторов и параметрическую оптимизацию, синтез топологии,включая размещение элементов на плате или кристалле, выпуск конструкторскойдокументации (КД).
Топологияпечатной платы (ПП) разрабатывается после завершения схемотехническогомоделирования. На этом этапе осуществляется размещение элементов на ПП итрассировка соединений.
Заключительнымэтапом разработки является проверка топологии. На нем проверяется соблюдениетехнологических норм, соответствие топологии схеме ЭП, а также рассчитываютсяэлектрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущихконкретной конструкции.
Однииз наиболее распространённых систем автоматизированного проектирования на ПК –система PCAD фирмы ACCEL Technologies и система OrCad. В них содержатся редакторы принципиальных схем имногослойных ПП, программа автоматического размещения компонентов на ПП итрассировки соединений, выдача данных на станки с ЧПУ, а также вспомогательныесервисные программы.
Длянанесения на чертежи схем и плат надписей создана программа рисованияалфавитно-цифровых символов набором стандартных символов графических примитивови вставки текста с помощью макрофайлов.
Дляокончательной доводки чертежей к виду, регламентированному требованиями ГОСТов,можно использовать систему AutoCAD.
Системапозволяет разрабатывать двухмерные чертежи и рисунки в различных областях человеческойдеятельности, разрабатывать и моделировать каркасные и объемные конструкции.Данная система дает возможность редактировать чертежи, которые былиимпортированы из других пакетов, с последующей выдачей их на принтер илиплоттер.
Вданном дипломном проекте, используя схему ЭП и исходные данные ТЗ, необходимопроизвести топологический синтез печатной платы (ПП). В результате должныполучиться чертежи топологии ПП и сборочный чертёж печатного узла.
Исходнымиданными являются следующие документы и указания:
1. Схемаэлектрическая принципиальная.
2. Способ монтажа —печатный.
3. Основные размерыпечатной платы (ПП) в соответствии со стандартом МЭК297-3[1];
4. Шаг координатнойсетки и отверстий—2,5 мм;
5. Шаг трассировкипечатных проводников, ширину печатных проводников, диаметр контактных площадоки переходных отверстий определить с использованием методики [2];
6. Число слоёв ПП —не менее 2;
7. Коэффициентзаполнения ПП — не менее 0,8.
8. Вводэлектрической схемы, генерацию списка связей, компоновку и размещение элементови трассировку ПП осуществлять средствами пакета САПР OrCad, учитывая результаты расчёта в п.5.1.1 и 5.1.2.
9. Передатьрезультаты проектирования в систему AutoCad.
10. Чертежи ПП ипечатного узла выполнить средствами пакета САПР AutoCad.
Опишемнекоторые особенности применяемых пакетов САПР.
СистемаСАПР Or-CAD позволяет выполнять:
созданиеусловных графических обозначений (УГО) элементов принципиальной схем; созданиекорпусов компонентов; графический ввод схемы электрической принципиальной иконструктивов ПП; 1- и 2-стороннее размещение компонентов (корпуса со штыревымивыводами) на ПП с печатными шинами; трассировка ПП проводниками произвольнойширины; автоматизированный контроль результатов разработки печатного узла насоответствие схеме ЭП и технологическим ограничениям (зазоры и т.д.);автоматическая коррекция схемы ЭП по результатам размещения и трассировки.
Программныйкомплекс Or-CAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ,образующих систему сквозного проектирования ПП электронной аппаратуры. В еесостав входят следующие программы:
·Or-CAD Capture – графический ввод и редактирование принципиальнойэлектрической схемы, графический ввод и редактирование символоврадиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;
·Layout Plus – графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭАи стеков контактных площадок. Автоматическое или ручное размещение компонентовна плате;
СистемаСАПР Or-CAD не позволяет выполнять выпуск КДна печатный узел и подготовку ТД, удовлетворяющих, указанным в п.1 (анализ ТЗ),ГОСТам. Поэтому, как оговаривалось раньше, необходима доработка результатовпроектирования средствами пакета САПР AutoCad. К таким доработкам относятсяследующие:
- редактированиеранее созданного текста;
- создание текстасодержащего символы кирилицы;
- простановкаразмеров на печатном узле;
Всвязи с тем, что в системе САПР AutoCad возможно более быстрое и эффективноесоздание графических примитивов, то рисование рамки, штампа основой надписи,редактирование ранее созданных графических примитивов в системе Or-CAD целесообразно производить средствами пакета САПРAutoCad. Так как эта система позволяет создавать окружности более сглаженнойокруглой формы (в дальнейшем это явно выразится при выводе результатовпроектирования на печатающее устройство (принтер)), то необходимо произвестикорректировку результатов, полученных в Or-CAD, средствами AutoCad.
Каки система Or-CAD система AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствамисходными со слоями Or-CAD, что дает возможность редактироватьчертежи созданные Or-CAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов ицифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное инаоборот.
Решениезадачи топологического синтеза с помощью пакета САПР OrCAD сводится к получению чертежей топологии ПП всоответствии с созданной схемой ЭП и технологическими ограничениями наразрабатываемый печатный узел, оговоренными в исходных данных к курсовомупроектированию. Для задания технологических ограничений необходимо использоватьсредства Layout или SmartRoute.Средствами программы Layout создаётся: контур ПП, барьеры дляпрокладки трасс в местах крепёжных отверстий печатного узла и технологическойзоне по периметру платы.
Производитсяразмещение компонентов. Для этого определяется:
- координатнаясетка с шагом 2,5 мм, в узлах которой будут размещаться компоненты, а такжеопределяется ориентация размещаемых на ней компонентов;
- барьеры дляпрокладки трасс в местах крепления корпусов компонентов (разъёмов);
- списоккомпонентов для размещения и положение дискретных компонентов относительноосновных, а также допустимые зазоры между компонентами.
Затемпроизводится фиксация компонентов (разъёмов), не подлежащих перемещению вдальнейшем.
Используясредства программы Layout, задаютсяпараметры и правила для трассировки ПП.
Пункт Options / SystemSettings:
- устанавливаетсяметрическая система единиц, мм;
- устанавливаютсяпараметры координатной сетки – шаг основной координатной сетки, в узлах которойбудут размещаться центры проводников и переходных отверстий, равен 1,25мм, шагсетки размещения барьера и текста и шаг сетки размещения компонентов равен 2,5;
2. Пункт View / DatabaseSpreadsheets / Layer. Просматриваетсяи редактируется структура слоев.
– слоям Top и Bottom ставим тип слоя Routing, слоям GND и POWER – Plane соответственно.
3. Пункт View / DatabaseSpreadsheets / Padstacks. Просматриваются и редактируются стеки контактных площадок и переходныеотверстия. Учитываем, что первый вывод в микросхеме должен быть отличной формыот других, поэтому установим его квадратным
4. Пункт View / DatabaseSpreadsheets / Nets. Просматриваютсяи редактируются параметры цепей;
– разрешаемповторную трассировку для перерасположения трассы;
– разрешаемсоеденять участеи цепи для Т- образных соеденений;
– шинам “ земли” ипитания задаем большй приоретет трассировки
5. Пункт Options / Global Spacing
– приводим значениязазоров между проводниками, между проводниками и контактными площадками, между проводникамии отверстиями, между отверстиями для всех слоев ПП.
6. Пункт Options / Route Settings. Задаются глобальные параметрыстратегии трассировки.
7. Пункт Options / RouteStrategies / Manual Route. Задаются частные параметры стратегии трассировки.
– Via cost — устанавливаем значение веса переходного отверстияравным 20.
– Retry cost – при большом значении данного весового коэфициентаувеличивается число повторных попыток расположить связь. Ставим значение 80.
– Routed Limit – коэффициент влияния на длину трассы.Cтавим значение 100
– Attemps – число попыток перерасположитьсвязь. Ставим2.
8. Пункт Options / RouteStrategies / Route Layers. Сведения о трассировке слоев.
– Routing Enabled – разрешение трассировки в данном слое.
– Layer Cost – коэффициент определяющий предпочтительные слои длятрассировки. При высоком значении коэффициента трассировщик будет старатьсяизбегать данный слой при трассировке.
– Direction — весовой коэффициент направлениятрассировки.
9. Пункт Options / Route Strategies / Between – весовой коэффициент, который при большом значенииограничивает проведение связей между выводами.
10. Пункт Options / Route Strategies / Route Sweep – указываются параметры разверток.
– 45S – разрешает проведение диогональныхсвязей.
11. Пункт Options / Route Strategies / Route Passes – параметры прохода трассировки.
– Name – имена проходов;
– Pass – определяет проходы для данной разверки;
– Enable – используемость данного прохода;
– Options– тип прохода
— Henristics;
- Maze;
- Auto DFM – алгоритм улучшения трассировки;
- Fan out — алгоритм для развоки элементов с поверхностныммонтажем;
- Via Reduce – минимизатор ПО-ий;
- Auto CDE – алгоритм, удаляет ошибки проекта.
Именнов Layout Plus делаются начальные установки ирасположение элементов на плате. Далее данные из Layout передаются в SmartRoute.
SmartRoute – Быстрый трассировщик с малым количеством настроек и установок,предназначенный для тестовых промежуточных трассировок, особенно полезных прирасстановке элементов по полю платы. Хорошо зарекомендовал себя при оконечнойработе с простыми схемами, особенно на мелкой логике. Практика использованияданного трассировщика показывает, что его применение в случае печатных плат сбольшой плотностью расположения компонентов и большим количеством связей даётвполне приемлемый выходной результат, и при этом заметно сокращается времятрассировки по сравнению с Layout Plus.
Послетого, как мы растрассировали плату, необходимо оформить ее как чертежитопологии в соответствии с требованиями, регламентированными ГОСТами. Система OrCAD не позволяет полностью провестиоформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобыAutoCAD смог “прочитать” чертежи, выполненные в системе Or-Cad, преобразуем файлы с расширением .max в файлы формата “.dxf”.
Послепреобразования мы загружаем файлы в AutoCAD. Далее необходимо: нанести текст вштампе основной надписи, а также технические требования к полученным чертежам,сделать вид сбоку на полученный сборочный чертёж для получения информации огабаритах печатного узла, проставить необходимые размеры и допуски на изделие.
5.3.2Оценка качества разработанной конструкции
Оценкукачества разрабатываемой конструкции можно проводится постепенно, по мереразработки конструкции.
Послесоздания базы данных принципиальной электрической схемы с помощью программы Capture выявляются ошибки, после ихисправления можно приступить к разработке ПП.
Дляпроверки принципиальной схемы в окне менеджера проекта необходимо выполнитькоманду Tools / Design Rules Check. В появившемся меню необходимо установить контрольвсех параметров на наличие ошибок. Результаты проверки заносятся в текстовыйфайл с расширением .drc.
Ввыходном файле приводится список ошибок каждого вида и их подробное описание.
Теперьосуществим проверку платы на соответствие ее требуемым технологическимограничениям.
Какуже отмечалось ранне, трассировка платы производилась в SmartRout. Важным моментом можно отметить тообстоятельство, что программа SmartRoute не позволяет проводить после окончанияпроцесса трассировки технологической проверки правильности разводки печатныхпроводников и соблюдения определённых норм. Так, чтобы провести данную проверкунеобходим обратный переход в Layout Plus.
УтилитаDesign Rules Check проверяет разведенную базу данных ПП и выявляет неразведенные проводники, нарушение технологических требований к проектированиюПП.
Результатыпроверок приводятся в приложении.
5.4Конструкторские расчеты
5.4.1Компоновочный расчет устройства
Компоновкаблока — размещение на плоскости и в пространстве различных компонентов(радиодеталей, микросхем, блоков, приборов) РЭА — одна из важнейших задач приконструировании, поэтому очень важно выполнить рациональную компоновкуэлементов на самых ранних стадиях разработки РЭА.
Основнаязадача, решаемая при компоновке РЭА — это правильный выбор форм, основныхгеометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения впространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры. Напрактике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовыхэлементов с заданными формами, размерами и весом, которые должны бытьрасположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных,механических, тепловых и других видов связей. Имея принципиальную схему икомпоновочный эскиз функционального узла, можно еще до разработки рабочихчертежей и изготовления лабораторного макета оценить возможный характер и величинупаразитных связей, рассчитать тепловые режимы узла и его элементов, выполнитьрасчет надежности с учетом не только режимов работы схемы (электрическиекоэффициенты перегрузки), но и с учетом рабочих температур элементов. Методыкомпоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические имодельные. К первым относятся численные (аналитические) и номографические,основой которых является представление геометрических параметров и операций сними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические инатурные методы, основой которых является та или иная физическая модельэлемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщеннойгеометрической модели. Основой для всех является рассмотрение общиханалитических зависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем счисленными значениями различных компоновочных характеристик: геометрическимиразмерами элементов, их объемами, весом, энергопотреблением и т.п. Знаясоответствующие компоновочные характеристики элементов изделия и законы ихсуммирования, можно вычислить компоновочные характеристики всего изделия и егочастей.
Прианалитическом методе оцениваются габаритные размеры, объем и масса изделия поформулам:
V = />/>, (5.4.1)
M = Km /> , (5.4.2)
M = M' V, (5.4.3)
гдеV, M – общий объем и масса изделия;
kv– обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами;
Vi,Mi– значения установочных объемов и массы i-х элементов конструкции;
Km– обобщенный коэффициент объемной массы изделия;
М'– объемная масса аппарата;
n– общее количество элементов конструкции изделия.
Исходнымиданными для расчета являются:
1)количество элементов в блоке;
2)установочная площадь каждого элемента;
3)установочный объем каждого элемента;
4) установочный вескаждого элемента;
5) количестводеталей;
6) объем блока;
7) вес блока;
8) количествонаименований деталей;
9) линейные размеры.
Всоответствии с заданием kv = 0.5.Для прибора можно принять Мў=0.4кг/дм3.
Сведенияоб установочных размерах элементов и их массе сведены в таблицу 5.4.1
Таблица5.4.1-Значение установочного объема и массы элементов изделияНаименование элемента n, шт
Vi, мм3 Мi, гр
/>, мм3
/>, гр Резистор МЛТ-0.125 24 23 0.15 529 3.45 Резистор МЛТ-1 1 50 0.25 50 0.25 Резистор СП3-38аМ 3 418 7 1254 21 Конденсатор КМ-6а 5 114 0.5 570 4.5 Конденсатор К50-16-10мкФ 8 41 3 328 24 Конденсатор К50-16-15мкФ 3 1584 5 4752 15 КонденсаторК50-16-50мкФ 1 4072 12 4072 12 Микросхема КР140УД12 2 932 10 1864 20 Оптрон АОУ103В 2 25 8 50 16 Оптрон АОТ110А 2 25 9 50 18 Диодный мост КД104А 1 3388 20 3388 20 Диоды КС147А 2 151 3 302 6 1 2 3 4 5 6 Транзисторы КТ315В 1 108 1.5 108 1.5 Транзисторы КТ3102Е 1 108 1.5 108 1.5 Индикатор LXD 1 84823 200 84283 200 Переключатель ПКН2-2Т 16 80 50 1360 850 Переключатель ПГ2 1 172 65 172 65 Разъем ОНпКГ ( 8 конт. ) 2 1040 20 280 40 Микросхема МС145407 1 150 20 150 20 Микросхема МС14500 1 130 17 130 17 Микросхема МС38064 1 40 10 40 10 Микросхема МС7805 1 40 10 40 10 Микросхема МС68НС711Е9 1 250 110 250 110 Плата 1 12000 64 12000 64
Суммарныйобъем, занимаемый всеми элементами конструкции, посчитанный по табличным даннымсоставляет:
/>=893562мм3
Поформуле (5.4.1)определяем ориентировочный объем блока:
V=1787124м3
Всоответствии с ТЗ габаритные размеры блока должны быть не более 185х145х100 мм.Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 100х120х125 мм.
Поформуле (5.4.2) определяем ориентировочную массу блока:
М=0.8кг
Всоответствии с ТЗ масса блока должна быть не более 2.5 кг.
Такжедополнительно можно определить параметр функционально-конструктивной сложности изделия,ПФКСИ. Величина ПФКСИ определяет степень использования платы активнымиэлементами по отношению к общему количеству всех ЭРЭ, монтажных соединений /> и контактных площадок:
Используяданные таблицы 5.4.1, имеем;;.
Подставивданные в формулу (5.4.1) получим значение ПФКСИ = 27.
Порезультатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполнеудовлетворяют требованиям технического задания.
5.4.2Расчет показателей надежности устройства
Проблемаобеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всемпериодом его практического использования. Надежность изделия в основномзакладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе егоизготовления путем правильного выбора технологии производства, контролякачества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контролярежимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применениемправильных способов хранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией,планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. В зависимости отназначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включатьбезотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Применительнок разрабатываемому устройству наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:
— вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданнойнаработки отказ объекта не возникнет;
— средняя наработка на отказ — отношение суммарной наработки объекта кматематическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки
— заданная наработка (заданное время безотказной работы) — наработка, в течениекоторой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций;
— интенсивностьотказов — вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени послезаданного момента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другимисловами — это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числуэлементов, исправно работающих в данный момент времени.
Оперируяэтими понятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак,произведем расчет надежности, приняв следующие допущения:
— отказыслучайны и независимы;
— учитываютсятолько внезапные отказы;
— имеетместо экспоненциальный закон надежности.
Последнеедопущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место толькослучайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения — законПуассона — и вероятность работы в течение времени равна:
/> (5.4.5)
Учитываято что с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы визделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг отдруга, т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого иприводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяетсякак произведение значений надежности для отдельных /> элементов:
/> (5.4.6)
где/> — интенсивность отказов /> — го элемента с учетомрежима и условий работы, />.
Учет влияния режима работы иусловий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощью поправочного коэффициента/> - коэффициентаэксплуатации и тогда /> выразится как:
/> (5.4.8)
где/> - интенсивность отказов /> — го элемента при лабораторныхусловиях работы и коэффициенте электрической нагрузки />.
Для точной оценки /> нужно учитывать нескольковнешних и внутренних факторов: температуру корпусов элементов; относительнуювлажность; уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д. С этой целью можетбыть использовано следующее выражение:
/>, (5.4.9)
где /> — поправочный коэффициент,учитывающий /> — ый фактор;
/> — поправочный коэффициент,учитывающий влияние температуры;
/> — поправочный коэффициент,учитывающий влияние электрической нагрузки;
/> — поправочный коэффициент,учитывающий влияние влажности;
/> - поправочный коэффициент,учитывающий влияние механических воздействий.
Все /> определяютсяиз справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде /> и />, как объединенные /> с /> и /> с />.
После этого можно определитьзначение суммарной интенсивности отказов элементов изделия по формуле:
/> , (5.4.10)
где /> - число элементов вгруппе, />;
/> - интенсивность отказа элементов в />-ой группе, />;
/> - коэффициент эксплуатации элементов в />-ой группе;
/> - общее число групп.
Исходныеданные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежностиприведены в таблице 5.4.2.
Таблица5.4.2 — Справочные и расчетные данные об элементах конструкции
/> гр.
Наименование
Группы
/>
/>1/ч
/>
/>
/>/>
/>1/ч
/>
ч
/> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Конденсаторы керамические 16 0.15 0.35 1.07 0.38 0.97 1.1 5,54 2
Аналоговые
микросхемы 2 0.02 0.7 1.07 0.75 0.05 0.5 0.28 3 Цифровые микросхемы 5 0.02 0.7 1.07 0.75 0.50 0.5 3.07 4
Разъем
многоштырьковый
(9 штырей) 2 3.2 0.7 1.07 0.75 4.8 1.2 27.4 5 Соединения пайкой 795 0.01 0.8 1.07 0.86 7.1 1.2 40.6 7 Плата печатная 1 0.2 0.6 1.07 0.64 0.13 3.2 0,74
Воспользовавшись данными таблицы5.4.2 по формуле (5.4.10) можно определить суммарную интенсивность отказов />, />1/час.
Далее найдем среднюю наработку наотказ />, применив следующую формулу:
/> (5.4.11)
Итак,имеем:
/> часов.
Вероятностьбезотказной работы определяется исходя из формулы (5.4.12), приведенной к следующемувиду:
/>, (5.4.13)
где/> часов — заданное по ТЗ время безотказной работы.
Итак,имеем:
/>
Среднеевремя восстановления определяется последующей формуле:
/>, (5.4.14)
где />/> — вероятностьотказа элемента i-ой группы;
/> — случайное время восстановленияэлемента i-ой группы, приближенныезначения которого указаны в таблице 5.4.2.
Подставив значения в формулу(5.4.9), получим среднее время восстановления />=1.059ч.
Далее можно определитьвероятность восстановления по формуле:
/>, (5.4.14)
где/>=6.4ч.
Следовательно, по формуле(5.4.14) определим />, что больше />.
Таким образом, полученные данныеудовлетворяют требованиям ТЗ по надежности, так как при заданном времени непрерывной работы /> ч проектируемый блок будетработать с вероятностью />. Приэтом он будет иметь среднюю наработку на отказ />чи вероятность восстановления, /> следовательно,дополнительных мер по повышению надежности разрабатываемого устройства нетребуется.
5.5Описание конструкции модуля
Устройствосмонтировано на шасси из пластмассы. Лицевая и задняя панель выполнена съёмной.Корпус состоит из двух частей, крепящихся винтами…
Маркиматериалов, разрешенных к применению в данной отрасли промышленностирегламентируется ведомственными нормами. На предприятиях существует более узкоеограничение марок материалов и сортаментов из числа разрешенных к применениюведомостной нормалью. Материалы, не вошедшие в перечень рекомендуемых, допускаетсяприменять в технически обоснованных случаях с разрешения органов стандартизациина предприятиях.
Металлическиедетали проектируемого нашего прибора за отдельным исключением можно изготовитьмеханической обработкой материалов, поставляемых металлургическойпромышленностью в виде прутков, полос, ленты и листов. Однако целесообразноиспользование стандартных винтов крепления.
Технологическиепроцессы, основанные на использовании способов прессования, обладают следующимиосновными преимуществами:
— более высокая производительность;
— меньший расход металла;
— меньшее количество операций и меньшая производительность производственногоцикла;
— относительно постоянная и высокая степень точности, зависящая в основном отточности изготовления инструмента и в меньшей степени от мастерства рабочего;
— благоприятные условия для механизации и автоматизации технологического процессаи для перехода на многостаночное обслуживание;
— в большинстве случаев — экономия производственной площади.
Выбормарки материала и заготовки имеет важное значение, так как определяет расходматериала, трудоемкость процесса изготовления детали, конструкциютехнологической оснастки и в конечном счете себестоимость детали.
Важнымпоказателем целесообразности выбора того или иного вида заготовки являетсякоэффициент использования материала:
К= Qд/Qз,, (5.5.1)
гдеQд — вес готовой детали;
Qз — вес заготовки.
Большинстводеталей в проектируемом устройстве сделаны методом горячей штамповки. Онаобладает рядом преимуществ перед другими видами обработки материалов:
— простота технологического процесса;
— высокая производительность, позволяющая на большой площади при малом количествеединиц оборудования изготовить в короткие сроки большое количество деталей;
— относительная и абсолютная дешевизна деталей;
— возможность комбинирования с другими видами технологических процессов;
— достаточная точность.
Основаточной штамповки — высокая культура эксплуатации штампов.
Всоответствии с выбранным методом конструирования целесообразно выделитьследующие основные функционально законченный узел — блок управления,выполняемый на отдельной печатной плате.
Приданном разбиении схемы электрической принципиальной обеспечивается минимальноеколичество связей между узлами, высокая ремонтопригодность изделия, минимальныевеличины паразитных наводок, уменьшение габаритов изделия.
Компоновочныесхемы блоков определяются количеством и видом составляющих элементов(дискретных радиодеталей, модульных узлов и микросхем) и их расположением. Накомпоновочные схемы блоков значительное влияние оказывают вспомогательныеэлементы (ручки, направляющие, фиксаторы, разъёмы и т.п.).
Разрабатываемаяконструкция с выбранной внутренней компоновкой прибора отвечает требованиямпроизводственной технологичности, обеспечивает высокую ремонтопригодностьизделия и удобство в эксплуатации.
5.6Защита конструкции устройства от внешних и внутренних дестабилизирующихфакторов
Впроцессе эксплуатации разрабатываемый модуль подвергается воздействию различныхфакторов, отрицательно влияющих на его надёжность. К ним относятся: нагрев иохлаждение, изменение давления, влажности, химического и биологического составасреды, попадание пыли и песка, находящихся в земной атмосфере, солнечная иискусственная радиация, вибрации и удары. Для повышения надёжности блоканеобходимо в той или иной степени защитить его от воздействия этих факторов.
5.6.1 Выбор способа теплозащиты
Способохлаждения во многом определяет конструкцию РЭС. Поэтому уже на ранней стадииконструирования необходимо выбрать способ охлаждения блока, после чего можноприступить к предварительной проработке конструкции. Выбранный способохлаждения должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим блока.
Какуже было отмечено, устройство управления представляет собой разборнуюконструкцию; блок управления монтируется в пластмассовом корпусе. Такимобразом, при рассмотрении вопросов теплового режима необходимо подходить ковсему электронному блоку в целом.
Длявыбора способа охлаждения необходимы следующие исходные данные:
-суммарнаямощность P, рассеиваемая в блоке; P= 3 Вт;
-диапазонвозможного изменения температуры окружающей среды Тсmax,
Tcmin;из раздела 1 имеем: Tcmax=55°C, Tcmin=-25°C;
-пределыизмерений давления окружающей среды Pmax, Pmin; из ранее сказанного имеемPmax=106.7кПа, Pmin=84кПа;
-времянепрерывной работы T; будем считать, что режим работы длительный, т. е. Tвелико;
-допустимыетемпературы элементов Ti;
-коэффициентзаполнения блока Kv=0,5;
-размерыкорпуса блока L1, L2, L3; размеры корпуса электронного блока согласно ТЗ:L1=100 мм, L2=120 мм, L3=125 мм.
Определимплощадь условной поверхности теплообмена:
/> , (5.6.1)
гдеL1, L2, L3- соответственно длина, ширина и высота блока;
Kv- коэффициент заполнения объёма корпуса.
/>
Заосновной показатель, определяющий области целесообразного применения способаохлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего черезповерхность теплообмена:
/> (5.6.2)
гдеP-суммарная мощность, рассеиваемая блоком с поверхности теплообмена;
Kp- коэффициент, учитывающий давление воздуха. Для указанного диапазона давлений;Kp=1.
/>
ЗначитLg q=Lg7,89=0,9
Вторымпоказателем служит минимально допустимый перегрев элементов в блоке:
dT=Ti min-Tc, (5.6.3)
гдеTi min — допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента;
Tc- температура окружающей среды. Для естественного охлаждения
Tc=Tcmax (5.6.4)
Согласноданным, приведённым в подразделе, наименее теплостойкими элементами являются конденсаторытипа К50-6 и резисторы СП5-3. Для них Tmin=70°С.
Такимобразом
dTc=70-40=30°C
Далее,используя график зависимости dTc=f(lgq), приведённый на рисунке 7.8 [17],выбираем предпочтительный способ охлаждения. Вся методика расчёта и рисуноквзяты из [17].
Рассчитаннымвыше значениям lg q и dT соответствует область 1. Для данной областицелесообразно применение естественного воздушного охлаждения. Таким образом,для охлаждения измерительного блока выбираем естественное воздушное охлаждение.Такое охлаждение является наиболее простым, надёжным и дешёвым способомохлаждения и осуществляется без затрат дополнительной энергии.
5.6.2 Выбор способа герметизации
Герметизация- обеспечение практической непроницаемости корпуса РЭС для жидкостей и газов сцелью защиты его элементов и компонентов от влаги, плесневых грибов, пыли, песка,грязи и механических повреждений [20,21].
Различаютиндивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию.
ЧастоРЭС располагают в разъёмном герметичном корпусе, который затем заполняют сухимвоздухом или инертным газом, после чего корпус запаивается. При размещении РЭСв неразъёмном корпусе существенно затрудняется доступ к компонентам.
Всоответствии с изложенным выше анализом климатических и дестабилизирующихфакторов, делаем вывод, что для обеспечения нормальной работы блока измерения,выполнения всех требований ТЗ никаких работ по герметизации блока не требуется.
5.6.3 Выбор способа виброзащиты
Подвибрациями понимают механические колебательные процессы, оказывающие присоответствующих уровнях дестабилизации влияние на работу аппаратуры.
Вибропрочность- способность РЭС работать в условиях воздействия вибрационных нагрузок.
Виброустойчивость- способность конструкции противостоять разрушающему действию вибрации ипродолжать нормально работать после устранения вибрационных нагрузок [14].
Виброизоляция- эффективный способ повышения надёжности РЭС, функционирующих в условияхмеханических воздействий. Энергия механических колебаний поглощаетсяспециальными приспособлениями-виброизоляторами.
Таккак модуль эксплуатируется в стационарных условиях, то предполагаем, что дляобеспечения виброзащиты достаточно применения опорных виброизоляторов.
5.6.4 Выбор способа экранирования
Экранированиемназывается локализация электромагнитной энергии в определённом пространстве засчёт ограничения её распространения всеми возможными способами [23].
Предложенноеранее разделение схемы электрической принципиальной позволяет в наибольшейстепени обеспечить её надёжное функционирование.
Дляэкранировки от внешних магнитных полей блок заземляется.
Внутреннийэлектрический монтаж между узлами блока выполнен гибкими монтажными проводами,сигнальные цепи — гибким проводом в экранирующей оплётке.
Поцепям питания необходимо предусмотреть развязывающие фильтры.
Предполагаемыемероприятия по экранированию должны обеспечить надёжную работу измерительногоблока.
Дополнительныетребования к конструкции разрабатываемого блока могут быть скорректированы припоследующем проектировании при проведении соответствующих расчётов[23].
5.6.5Обеспечение электрической прочности
Проблемаобеспечения электрической прочности ЭВА, особенно актуальна для элементов винтегральном исполнении и печатных плат, где зазоры между токоведущимидорожками малы и напряженность электрического поля может достигать большихзначений при небольших напряжениях. Кроме того, пробивное напряжение снижаетсяпри повышении температуры диэлектрика, при сорбции влаги пылью и полимернымиматериалами.
Явлениеобразования, под действием электрического поля проводящего канала вдиэлектрике, называется электрическим пробоем. У твердых диэлектриков кромепробоя по объему, возможен пробой по поверхности в окружающей среде. напряжениетакого пробоя зависит от природы окружающей диэлектрик Среды, содержания влаги,формы проводников, наличия загрязнения на поверхности диэлектрика и наличиявеществ, способных поглощать влагу(например, разнообразные пыли). Для повышенияпробивного напряжения платы покрывают лаком, исключают острые углы притрассировке печатных проводников, производят сушку плат перед нанесением лака,следят за содержанием пыли и влаги в газовой среде технологических помещений,увеличивают пробивной промежуток благодаря установке дополнительных ребер(высоковольтных изоляторов).
Обеспечениеэлектрической прочности тесно связано с проблемой влагозащиты. На выбор способавлагозащиты большое влияние оказывает объем производства.
6 Разработкатехнологических процессов
6.1Оценка технологичность
Анализустройства на технологичность проводится с целью проверки, насколько изделиеобеспечивает следующие требования: максимальное использование в конструкцииизделия стандартных, нормализованных и заимствованных деталей и узлов;механизацию и автоматизацию отдельных технологических операций и всего процессав целом; применение наиболее прогрессивных методов выполнения заготовительных,сборочных и контрольных операций; обоснованное определение классов чистоты иточности изготовления деталей и узлов; минимальное количество применяемых мароки типоразмеров материалов; применение типовых технологических процессов;использование стандартной и нормализованной технологической оснастки иоборудования.
Анализи отработка конструкции изделия на технологичность должны проводиться с учётомпрограммы его выпуска и конкретных условий завода-изготовителя.
Дляобъективной оценки технологичности изделия вводятся показатели технологичности,состоящие из системы частных Кчi и комплексного показателей и предназначенные длязадания конструктору требований технологичности при проектировании новогоизделия, а также ее оценки до передачи конструкции в производство. Методикарасчета технологичности для электронных узлов приведена в [**].
Комплексныйпоказатель технологичности определяется по формуле:
/> (6.1)
где Кi — коэффициент значимости i-гочастного показателя технологичности, определяемый по методике изложенной в[**].
Коэффициентиспользования микросхем определяется по формуле:
/> (6.2)
где />-количество микросхем
/> — количество радиоэлементов
Повыражению (6.2) вычислим коэффициент использования микросхем:
/>
Коэффициентавтоматизации и механизации монтажа определяется по следующей формуле:
/> (6.3)
где /> — количествомонтажных соединений, выполненных автоматизированным или механизированнымспособом;
/> — общее количество монтажныхсоединений.
Значениекоэффициента автоматизации и механизации монтажа согласно нашемутехнологическому процессу получаем равным (по выражению (6.3)):
/>
Коэффициентмеханизации подготовки ЭРЭ определяется по следующей формуле:
/> (6.4)
где/> -количество ЭРЭ в штуках, подготовка которых к монтажу ведетсяавтоматизированным или механизированным способом;
/> - общееколичество ЭРЭ.
Принимаем/>
Коэффициентмеханизации контроля и настройки определяется по формуле:
/> (6.5)
где/> -количество операций контроля и настройки, выполняемых автоматизированным илимеханизированным способом;
/> — общее количество операций контроляи настройки.
Принимаем/>
Коэффициентповторяемости ЭРЭ определяется по формуле:
/> (6.6)
где /> — общееколичество типоразмеров элементов;
/> — общееколичество элементов.
Следовательно,
/>
Коэффициентприменяемости определяется по формуле:
/> (6.7)
где /> - количествотипоразмеров оригинальных элементов;
/> - общееколичество типоразмеров элементов.
Следовательно,
/>
Подставляяполученные значения частных показателей и коэффициентов значимости в формулу(6.1) получим />.
Полученноезначение комплексного показателя технологичности удовлетворяет нормативнымограничениям от 0.6 до 0.9, указанных в ГОСТ 25360, что говорит о хорошей технологичностиконструкции модуля.
6.2Разработка технологического процесса сборки модуля
Типоваяструктура технологического процесса изготовления модуля включает следующиеоперации: входной контроль элементов и печатных плат, подготовка к монтажу,установка комплектующих элементов на плату, нанесение флюса и его сушка, пайка,очистка от остатков флюса, контрольно-регулировочные работы, технологическаятренировка, маркировка, герметизация и приемо-сдаточные испытания. Сборкаосуществляется согласно ГОСТ 23887-79.
Входнойконтроль — это технологический процесс проверки поступающих на завод ЭРЭ, ИМС иПП по параметрам, определяющим их работоспособность и надежность передвключением этих элементов в производство. Входной контроль комплектующихэлементов может быть как 100 % так и выборочным.
ПодготовкаЭРЭ и ИМС включает распаковку элементов, выпрямление, зачистку, формовку,обрезку и лужение выводов, размещение элементов в технологической таре. Дляпроведение подготовительных операций разработано много типов технологическогооборудования и оснастки. В условиях мелкосерийного производства подготовкаосуществляется пооперационно с ручной подачей элементов.
Установкаэлементов на печатные платы в зависимости от характера производства можетвыполняться вручную, механизированным и автоматизированными способами.
Нанесениефлюса на плату может осуществляться различными способами (кистью, погружением,потягиванием, распылением, вращающимися щетками, пенное и волной). Нанесенныйслой флюса перед пайкой просушивается при температуре 353…375 К, а платаподогревается.
Групповаяпайка элементов со штыревыми выводами производится волной припоя наавтоматизированных установках модульного типа.
Процессгрупповой пайки начинаются с подготовки поверхности ПП, которая заключается взачистке мест пайки и обезжиривании. Зачистку выполняют эластичными кругами сабразивным порошком или металлическими щетками. Затем поверхность платыобезжиривают в растворе спирта с бензином и обдувают воздухом. Защита участковплаты не подлежащих пайке, осуществляется маской из бумажной ленты, пропитаннойкостным клеем. Маску приклеивают к плате так, чтобы места пайки не выходили запределы отверстий в маске. Вместо бумажной маски можно применять слой краски,наносимой через сетчатый трафарет. Краска должна противостоятьнепосредственному воздействию расплавленного припоя, температура которогодоходит до 260 ° С.
Следующимэтапом является нанесение флюса и подогрев платы, который удаляет влагу иуменьшает термический удар в момент погружения платы в расплавленный припой.
Пайкаволной представляет собой процесс, при котором нагрев паяемых материалов,помещенных над ванной и подача припоя к месту соединения осуществляется стоячейволной припоя возбуждаемой в ванне. При пайке волной припоя устраняетсявозможность быстрого окисления припоя и температурных деформации платы.
Заключительнойоперацией групповой пайки является удаление маски. Для этого ПП погружают на0.8 … 0.9 ее толщины в ванну с горячей водой (t=40 ° С) и выдерживают до тех пор, покаона не отклеится (2…3 мин). Затем плату обдувают горячим воздухом до полноговысыхания.
Удалениеостатков водорастворимых флюсов осуществляется путем промывки плат в горячейпроточной воде с использованием мягких щеток или кистей. Следы канифольныхфлюсов удаляют промывкой в течение 0.5 … 1 мин, в таких растворителях, какспирт, смесь бензина и спирта (1:1), трихлорэтилен и др.
Выходнойконтроль можно условно разделить на три последовательных этапа: 1) визуальныйконтроль правильности сборки и качества паяных соединений; 2)контрольправильности монтажа и поиск неисправностей; 3)функциональный контроль.
Приразработке технологии необходимо руководствоваться следующим:
предшествующиеоперации не должны затруднять выполнение последующих;
необходимостремиться применять наиболее совершенные формы организации производства;
при поточной сборке разбивка процесса наоперации определяется ритмом сборки, причем время, затрачиваемое на выполнениекаждой операции должно быть равно или кратно ритму;
посленаиболее ответственных операций сборки, а также после операций, содержащихрегулировку или наладку, выводится контрольная операция или переход.
Учитываявсе выше изложенные операции, для выполнения технологического процесса сборки имонтажа модуля, можно предложить следующие виды отечественного и зарубежногооборудования :
Автоматкомплексной подготовки элементов АКПР-1.Он предназначен для формовки и лужениявыводов ЭРЭ в цилиндрических корпусах. Построен он по модульному типу. В немимеются входной и выходной магазин с прямоточными кассетами, пресс и штамп,линейный манипулятор, пульт управления.
Автоматподготовки выводов конденсаторов из липкой ленты ВА-200 (ФРГ).
Автоматформовки выводов ИМС ГГ-2629.
ПолуавтоматУР-5, предназначенный для установки навесных элементов на плату.
ПолуавтоматУР-10, предназначенный для установки ИМС на плату.
АвтоматУЗО-4М, предназначен для очистки плат от остатков флюса.
Полуавтоматконтроля и настройки электрических параметров CMG-100.
Приспособлениедля визуального контроля ГГ6366У/012. Производится визуальный контроль качествасборки при увеличении 2,5.
Автоматнанесения влагозащитного лака УЛПМ-901.
Ориентировочныйтехнологический процесс сборки модуля приведен в таблице 6.2.1.
Таблица6.2.1 – Ориентировочный технологический процесс сборки модуля.№ операции Наименование и содержание операции Оборудование и приспособления. 1 Входной контроль микросхем и ПП.
Лупа 10X, тенд. 2 Защита маркировки. Вытяжной шкаф, ванна. 3 Формовка и обрезка выводов. АКПР-1, ВА-200, ГГ2629. 4 Лужение выводов. Флюсовать выводы погружением во флюс ФСКП. Лудить выводы припоем ПОС-61. АКПР-1, ВА-200, ГГ2629. 5 Подготовка ПП к сборке. Лудить контактные площадки. Ванна для обезжиривания. 6 Установка элементов на ПП. УР-5, УР-10. 7 Пайка выводов элементов к ПП. 8 Очистка платы от остатков флюса. УЗО-4М. 9 Контроль электрических параметров. Настройка. CMG-100. 10 Влагозащита. Покрытие лаком УР-231. УЛПМ-901. 11 Визуальный контроль качества сборки при увеличении 2,5. ГГ6366У/012.
Маршрутнаякарта на техпроцесс изготовления печатной платы приведена в приложении.
8ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
8.1Характеристика изделия «Модуль управления временными параметрами». Обоснованиеобъема производства и расчетного периода
Модульуправления временными параметрами – электронное устройство, которое можноиспользовать для контроля времени и сбора информации в модулях промышленнойавтоматики.
Модульотносится к среднему классу по своим техническим характеристикам и выполняетследующие функции :
-отсчетвремени;
-вводс клавиатуры требуемого значения времени, вывод текущего значения на ЖКИ ;
-обменинформацией с центральным компьютером ;
-регистрациятекущих значений времени энергонезависимой памяти;
Применениенастоящего устройства позволяет повысить точность и надежность работыпромышленных автоматов… Стоимость зарубежных образцов такого же классаколеблется около 15 долларов США.
Возможныйобъем производства прогнозируется исходя из объема потенциальных потребителей,которыми выступают небольшие предприятия-производители. Исследование рынкасбыта позволило определить реальный объем продаж — 10000 штук в каждый годрасчетного периода, который составит 4 года.
8.2Определение себестоимости и рыночной цены единицы изделия
Себестоимостьпродукции представляет собой сумму текущих затрат предприятия на еёпроизводство и реализацию. Для определения суммарных текущих издержекнеобходимо рассчитать себестоимость каждой единицы выпускаемой продукции.
8.2.1Расчёт затрат по статье “Сырьё и материалы за вычетом возвратных отходов”представлен в табл. 1.
Таблица1- Расчёт затрат на основные и вспомогательные материалы Наименование материала Единица измерения Норма расхода Оптовая цена за единицу, р. Сумма, р. 1 Стеклотекстолит СФ2-35-1.5 Кв.м 0,12 3000 360 Отходы 0,06 200 -12 2 Припой ПОС-61 кг 0.05 2000 100 3 Лак УР-231 кг 0.03 1500 45 4 Флюс ФКСП кг 0.03 400 12 5 Флюс канифольно-спиртовой л 0,02 1200 24 Итого с учетом транспортно-заготовительных расходов 556
8.2.2Расчёт затрат по статье “Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты и услугипроизводственного характера” представлен в табл. 2.
Таблица2- Расчёт затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикатыНаименование комплектующего или полуфабриката Цена, р. Количество на изделие, шт.
Сумма,
р. Аналоговые микросхемы КР140УД12 150 2 300 АОТ103В 100 2 200 АОТ110А 100 2 200 МС7805 200 1 200 Цифровые микросхемы МС68НС711Е9 1000 1 1000 МС145507 400 1 400 МС14500 300 1 300 Диоды и стабилитроны КС147А 50 1 50 КС103А 50 1 50 Резисторы МЛТ-0,5 20 29 580 МЛТ-1 30 1 30 Конденсаторы К50-16-2 20 10 200 К50-16-10 25 6 150 Кнопочные перекллючатели КН-3 50 1 50 КН-17-2 40 12 480 Индикаторы LXD69D3F09KG 500 1 500 Разъемы Разъем DB16P 100 1 100 Резонаторы Резонатор кварцевый РК-16 150 1 150 Корпус 500 2 1000 Панель 200 2 400 Винт М3 20 6 120 Итого с учетом транспортно-заготовительных расходов 5526
8.2.3Расчётзатрат по статье “Основная заработная плата производственных рабочих”представлен в табл. 3.
Таблица3-Расчет основной заработной платы производственных рабочих по видам работ
Виды работ
(операции) Разряд работ Часовая тарифная ставка р./ч Норма времени по операции, н-ч Основная зарплата (расценка), р. Подготовительная 3 285 0,05 14,25 Сборочно-монтажная 4 340 0,2 68 Контрольная 4 340 0,1 34 Регулировочная 5 397 0,2 79,4 Сборочная 4 340 0,1 34 Итого 210 Всего с премией (1,42) 299
8.2.4.Расчёт затрат по статье “ Дополнительная заработная плата основныхпроизводственных рабочих”
Формуларасчёта имеет вид />,
где HД – процент дополнительной заработной платыпроизводственных рабочих, равный 20 %.
Тогдадополнительная заработная плата производственных рабочих
Зд= 299*0,2=60 р.
8.2.5Расчёт затрат по статье “Отчисления в фонд социальной защиты населения”.
Согласнодействующему законодательству ставка отчислений составляет 35%, тогда затратыпо этой статье равны
Рсоц= (298,7 + 59.7) * 0,35 = 126 р.
8.2.6Расчёт отчислений в фонд занятости и Чрезвычайный “чернобыльский” налог
В этустатью включаются Чрезвычайный (чернобыльский) налог в размере 4% и отчисленияв фонд занятости — 0,5% в соответствии с действующим законодательством.
Рно =(298,7 + 59.7) * 0,045 = 26,1 р.
Расчетсебестоимости и отпускной цены единицы продукции представлен в табл. 4.
Таблица4-Расчёт себестоимости и отпускной цены единицы продукцииНаименование статей затрат Условное обозначение Значение, р. Примечание 1 2 3 4 1. Сырьё и материалы за вычетом отходов
РМ 556 См. табл. 1 2. Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты
РК 5526 См. табл. 2 3. Основная заработная плата производственных рабочих
З0 299 См. табл. 3 4. Дополнительная заработная плата производственных рабочих
ЗД 60
/>,
Нд = 20%. 5. Отчисления в фонд социальной защиты
РСОЦ 126
/> 7. Отчисления в фонд занятости и «Чрезвычайный чернобыльский» налог
РНО 26
/> 11. Прочие производственные расходы
РПР 6
/>,
Нпр = 2% Производственная себестоимость
СПР 7775
/>СПР= 556 + 5526 + 299 + 60 + 126 + 26 +30 +548 + 598 +6 12. Коммерческие расходы
РКОМ 778
/>,
Нком = 1%. Полная себестоимость
СП 8553
СП=7775 +778 13. Плановая прибыль на единицу продукции
ПЕД 2138
/>,
Уре = 25%. Оптовая цена предприятия
ЦОПТ 10691
ЦОПТ=8553 + 2138 14. Отчисления в местные бюджеты
Омб 274
/>,
Нсф = 2,5% 15. Отчисления в республиканские фонды
Орб 224
/>
Нрб = 2%. Итого Ц* Ц* 11189 Ц* = 10691 +274 + 224 16. Налог на добавленную стоимость (20% от Ц*)
Ндс 2238
/>,
Ндс = 20% Отпускная (свободная) цена
ЦОТП 13427
ЦОТП= 11189+ 2238
8.3Расчет стоимостной оценки затрат
Стоимостнаяоценка затрат у производителя новой техники определяется с учетом затрат,необходимых для ее разработки и производства.
Единовременныезатраты в сфере производства включают предпроизводственные затраты (КППЗ)и единовременные капитальные вложения в производственные фондызавода-изготовителя (КПФ).
Предпроизводственныезатраты определяются по формуле
КППЗ= ЗНИОКР + КОСВ, (8.3.1)
где ЗНИОКР– сметная стоимость НИОКР, ден. ед.;
КОСВ– затраты на освоение производства, доработку опытного образца продукции,изготовление моделей и макетов, ден. ед
8.3.1Расчёт сметной стоимости НИОКР
Сметазатрат на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работрассчитывается по следующим статьям:
— материалы и комплектующие;
— расходы на оплату труда;
— отчисления в фонд социальной защиты;
— расходы на служебные командировки;
— услуги сторонних организаций;
— прочие прямые расходы;
— налоги включаемые в себестоимость;
— плановая (нормативная) прибыль;
— добавленная стоимость;
— налог на добавленную стоимость;
— отчисления на содержание ведомственного жилого фонда и аграрный налог.
Расчётсметной стоимости материалов приведён в таблице 5.
Таблица5 – Расчёт стоимости материалов и комплектующих Наименование единица измерения количество, ед. Цена, руб/шт Сумма, руб. Бумага писчая шт. 200 15 3000 Ватман (ф.А1) шт. 6 300 1800 Вывод чертежей шт. 6 2000 12000 Бумага масштабная шт. 5 50 250
Итого
Транспортно-заготовительные расходы (5%)
Всего
17050
853
17903
Расчётосновной заработной платы участников НИОКР приведён в таблице 6.
Таблица6 — Расчёт основной заработной платы научно-технического персонала Должность Количество месяцев работы Месячный оклад, руб. Сумма ОЗП, руб.
Руководитель проекта
Научный технический сотрудник
3
3
190005
145160
570015
435480 Итого основная заработная плата всех работников 1005495 С учетом премий (40 %) 1407693
Полнаясмета затрат на НИОКР приведена в таблице 7
Таблица7 — Полная смета затрат на НИОКР
/> Статьи затрат
Условное
обозначение
Сумма,
Руб. 1 2 3 4 1 Материалы и комплектующие (таблица 8.5)
/> 12778 2 Основная заработная плата (таблица 8.6)
/> 1407693 3 Дополнительная заработная плата научно-технического персонала (20% от )
/> 281539 4
Отчисления в фонд социальной защиты: />
/> 563077 5
Чрезвычайный чернобыльский налог и отчисления в фонд занятости
/>, />
/> 84462 6
Износ инструментов и приспособлений целевого назначения
/> />
/> 168924 7
Общепроизводственные расходы
/> />
/> 1759616 8
Общехозяйственные расходы
/> />
/> 2111540 9
Прочие прямые расходы: />
/> 14077 10
Итого, себестоимость:/>(п.1-п.9)
/> 6403706 11
Коммерческие расходы
/>/>
/> 128074 12
Полная себестоимость
/>
/> 6531780 13 Плановая прибыль единицы продукции (30% от себестоимости)
/> 1959534 14
Оптовая цена: />
/>
8491314 15
Отчисления в местный бюджет: />
/> 212283 16 Налог в республиканский бюджет единым платежом (2 %) Орб 169826 16
Налог на добавленную стоимость
/>
/> 1698263 17
Отпускная цена
/>+Орб
/> 10189576
Такимобразом, сметная стоимость НИОКР составила: 10189576 руб.
8.3.2.Расчет единовременных затрат
Единовременныезатраты в сфере производства включают предпроизводственные затраты (КППЗ)и единовременные капитальные вложения в производственные фонды завода-изготовителя(КПФ).
Единовременныекапитальные вложения рассчитываются по формуле:
Кпф= КОК + КОС,
где КОК– капитальные вложения в основной капитал;
КОС– капитальные вложения в прирост оборотных средств.
Расчеткапитальных вложений в технологическое оборудование, используемое припроизводстве продукции представлен в табл.8.
Таблица8-Оборудование, необходимое для производства изделия
Виды работ
(операции) Норма времени по опера-ции, н-ч Наименование оборудования
Отпускная цена единицы оборудования,
Р.
Площадь, занимаемая единицей оборудова-ния, м2 1.Подготовительная 0,05 Сборочный стол 150000 6 2.Сборочно-монтажная 0,25 Сборочный стол 150000 12 3. Пайка волной 0,05 Установка пайки волной 754000 12 4.Контрольная 0,15
Стол для
контроля 160000 8 5.Регулировочная 0,25 Сборочный стол 150000 8 6.Сборочная 0,15 Монтажный стол 150000 8 7. Упаковка 0,01 Стол для упаковки 150000 6
Эффективныйфонд времени работы единицы оборудования (ФЭФ) рассчитывается исходяиз двухсменного режима работы, продолжительности смены, равной 8 часам, икоэффициента потерь на ремонт 0,96 по формуле
ФЭФ= ДР S tСМ КР = 256 *2 * 8 *0,96=3932,16 ч
Планируемыйкоэффициент выполнения норм времени для всех групп оборудования равен 1,05.Расчетное количество оборудования округляется до целого числа и называетсяпринятым количеством рабочих мест (nПР).
Расчетколичества оборудования должен производиться по всем его группам (видам работ):
Количествосборочных столов nсс= 10000 * 0,55/3932,16*1,05=1,33~
= 1единица.
Количествомонтажных столов nмс = 10000 * 0,15/4128,768 = 0,37 ~ 1единица.
Количествостолов для контроля nкс = 10000 * 0,15/4128,768 = 0,37 ~ 1единица.
Количествостолов для упаковки nупс = 10000 * 0,01/4128,768 =
= 1единица.
Количествоустановок пайки волной nпв= 10000 *0,05/4128,768 = 0,18 ~ 1 единица.
Общаявеличина капитальных вложений в оборудование равна Коб = (150000 +150000 +160000 +150000 + 754000) * 1,15 * 1,1 = 1725460 р.
8.3.2.1Расчёт величины капитальных вложений в здания
Капитальныевложения в здания определяются на основании расчёта производственных площадей.
Площадь,занимаемая технологическим оборудованием, равна
SОБ = 6 + 8 + 8 + 6 + 12 = 40 кв. м.
Площадь,занимаемая служащими, специалистами и руководителями, равна
SA=40 * 0,5 = 20 кв. м.
Площадьпод складские помещения равна SСК= 40 * 0,4 = 16кв.м.
Площадьпод санитарно-бытовыми помещениями равна
SБЫТ = 40 * 0,3 = 12 кв. м.
Общаяплощадь зданий проектируемого предприятия включает следующие составляющие
SЗД = 40 + 20 + 16 + 12 = 88 кв. м.
Величинакапитальных вложений в здания равна
КЗД=88 * 330000 = 29040000 р.
Результатырасчёта вложений в основной капитал сводятся в табл. 9.
Таблица9 — Инвестиции в основной капитал
Наименование
Инвестиций
Капитальные вложения,
р. 1. Здания и сооружения 29040000 2. Технологическое оборудование 1725460 4. Инструмент и технологическая оснастка 396000 5. Прочие основные фонды 782000 Итого 31943460
8.3.2.2Расчет капитальных вложений в оборотный капитал
Всостав оборотных средств (оборотного капитала) включаются денежные средства,необходимые для создания оборотных производственных фондов и фондов обращения.
Капитальныевложения в оборотный капитал определяются в процентах от основного капитала ибудут равны
КОС= 0,3 * 31943460 = 9583038 р.
Результатырасчета инвестиций в производственные фонды (единовременные затраты) приведенысвести в табл. 10.
Таблица10- Инвестиции в основной и оборотный капитал (единовременные затраты)Единовременные капитальные вложения Сумма, р. 1. Инвестиции в основной капитал 31943460 2. Инвестиции в оборотный капитал 9583038 Всего 41526498
8.4Расчет стоимостной оценки результата
Результатомв сфере производства нового изделия является абсолютная величина чистойприбыли, полученная от реализации продукции, и амортизационные отчисления,которые являются источником компенсации инвестиций.
8.4.1. Расчёт амортизационных отчисленийосновного капитала
Годоваясумма амортизационных отчислений определяется на основе типовых единых нормамортизационных отчислений на полное восстановление основных фондов.
Расчётамортизационных отчислений по годам представлен в табл. 11.
Таблица11- Расчёт амортизации основных фондовНаименование видов основных фондов Первоначальная стоимость, ден. ед. Средняя норма амортизации, % Годовая сумма амортизацион-ных отчислений, р. 1. Здания и сооружения 41526498 2,3 955109,5 2. Технологическое оборудование 1725460 14,4 248466,3 3. Инструмент и технологическая оснастка 396000 10 39600 4. Прочие основные фонды 782000 24,4 190808 Итого 1790384
8.4.2Расчет чистой прибыли от реализации продукции
Чистаяприбыль (прибыль, остающаяся в распоряжении предприятия) определяется следующимобразом:
ПЧ= Пед * Nt (1 – Нп/100), (2.20)
где Пед- прибыль на единицу изделия в году t, ден. ед.;
Nt – объем выпускапродукции в году t, шт.
НП– ставка налога на прибыль (24 %) .
Расчетчистой прибыли представлен в табл. 12.
Таблица12- Расчет чистой прибыли Вид доходов Годы, млн. р. 1-й 2-й 3-й 4-й 1.Балансовая прибыль (Пб) 10,69 21,38 21,38 21,38 2.Чистая прибыль (Пч) 8,1244 16,2488 16,2488 16,2488 3. Амортизация (данные табл. 6) 0,895192 1,790384 1,790384 1,790384 Чистый доход (п.2 + п.3) 9,0195 18,039 18,039 18,039
8.5 Расчетэкономического эффекта у производителя новой техники
Прирасчете коэффициентов дисконтирования по годам использовалась норма дисконта Ен= 40%.
Расчетэкономического эффекта целесообразно осуществлять в табличной форме (табл.13).
Таблица13-Расчет экономического эффекта у производителя новой техникиНаименование показателей Единица измерения
Условное
Обозначение По годам производства 1-й 2-й 3-й 4-й Результат Рt 1. Выпуск изделий шт. N 5000 10000 10000 10000 2. Отпускная цена изделия р.
ЦОТП 13427 13427 13427 13427 3. Полная себестоимость единицы продукции р. Сп 8553 8553 8553 8553 4. Прибыль на единицы р. Пед 2138 2138 2138 2138 5. Чистый доход (табл. 12) Млн. р.
Рt 9,0195 18,039 18,039 18,039 6. Результат с учетом фактора времени Млн. р.
/> 6,44 9,20 6,574 4,696 Затраты
Зt 7. Предпроизводст-венные затраты Млн. р. Кпп.з 10,18 - - - 8. Единовременные затраты Млн. р. Кпф 41,53 - - - 9.Инвестиционные вложения (всего) Млн. р. Зt 51,71 - - - 10. Инвестиционные вложения с учетом фактора времени Млн. р.
/> 36,92 - - - 11. Чистая дисконтированная стоимость (п.5 — п.6) Млн. р.
ЧДД (Эинт) 2,58 8,839 11,465 13,343 12. ЧДД нарастающим итогом Млн. р. ЧДД 2,58 11,419 22,884 36,227 13. Коэффициент дисконтирования
/> 0,714 0,5102 0,36443 0,2603
8.6Определение срока окупаемости и рентабельности проекта
Расчетсрока окупаемости инвестиций.
Каквидно из таблицы инвестиции окупятся на четвертый год производства и реализациимодуля.
Ток =36,92/9,0195 = 4,1 года.
Расчетрентабельности инвестиций
R = 18,039/51,71*100% = 35%.
8.7 Выводы
Впроцессе технико-экономического обоснования инвестиционного проекта повнедрению в производство модуля питания телевизионных приемников были полученыследующие результаты:
1. Интегральныйэкономический эффект от внедрения в производство изделия за четыре года составил36227000 ден. ед.;
2. Срококупаемости инвестиций составляет 4,1 года, т.е. все затраты окупятся начетвертый год;
3. Рентабельностьинвестиций составит 35 %;
4. Низкиеиздержки производства, позволяют установить цену на уровне 8 долларов, чтоменьше цен зарубежных аналогов. Это при одинаковом качестве изделий даствозможность предприятию расширить рынок своей продукции, и, следовательно,увеличивать прибыль.
Полученныерезультаты свидетельствуют о том, что данный проект является экономическицелесообразным и его реализация принесет предприятию коммерческий успех.
9 ОХРАНА ТРУДА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
9.1Обеспечениеэргономичности устройства управления временными параметрами на базе ЦПС иусловий его эксплуатации
Разрабатываемоеустройство предполагается использовать в качестве управляющего оборудования вмодулях промышленной автоматики.Эскиз панели управления приведён на рисунке 1.
/>
Рис.9.1 Эскиз панелиуправления
Процесс управленияосуществляется следующим образом:
а)оператор путемнажатия кнопки « Сброс » приводит устройство в состояние готовности к работе.
б)используя наборноеполе задает значения временных интервалов и параметры контролируемого параметра;
в)кнопкой «Ok» непосредственно включаетсистему в режим автоматики.
Местом примененияустройства является шкаф или стойка.
Данное пространствоможно охарактеризовать следующей совокупностью вредных и опасных и факторов,сопутствующих при работе с проектируемым объектом: недостаточная аэронизациявоздуха; недостаточное или некачественное освещение; низкие эргономическиепоказатели рабочего места.
Нормированиеестественного и искусственного освещения производится СНиП 11-4–79 взависимости от характеристики зрительной работы и объекта различения[ ].Освещение на рабочем месте должно быть таким, чтобы работающий мог безнапряжения зрения выполнять свою работу. Недостаточность освещения приводит кнапряжению зрения, преждевременной усталости и ослабляет внимание.
В этих условиях длянормального функционирования системы человек- машина (СЧМ) необходимообеспечить высокие эргономические качества изделия.
Общиеэргономические требования к производственному оборудованию регламентируютсяГОСТ 12.2.049-80.
Основнымиэргономическими показателями проектируемого являются: размер лицевой панели; размерыи форма органов управления, а также усилия необходимые для управления ими;размеры надписей и знаков; световые характеристики индикаторов и надписей;яркостные характеристики индикаторов.
Выборконкретного типа компонента лицевой панели должен проводиться на основекомплексного подхода, при котором учитывается и согласовывается множестворазличных и часто противоречивых факторов.Произведем расчетследующих эргономических показателей устройства: размеров лицевой панели;размеров компонентов лицевой панели; эргономических характеристик органовуправления лицевой панели.
Размерылицевой панели определяются не только конкретными требованиями (суммарнойплощадью компонентов, расположением на панели, коэффициентом заполненияпанели), но и эргономическими и психофизическими требованиями человека –оператора. Максимально допустимый размер лицевой панели определяется исходя изгоризонтального и вертикального угловых размеров зоны периферического зренияоператора и заданного расстояния до лицевой панели. Тогда максимальная длина,высота и площадь лицевой панели можно рассчитать из выражений [ ]
/> (9.1)
/>, (9.2)
/>, (9.3)
гдеL=50 см – расстояние до лицевой панели;
/>= 90° – горизонтальный уголпериферического зрения;
/> = 75° – вертикальный уголпериферического зрения.
Получим,/>,/>, />=7700 см2 .
Минимальнаяплощадь лицевой панели, удовлетворяющая эргономическим требованиям, может бытьопределена из соотношения
/> , (9.4)
гдеN – количество компонентов, устанавливаемых на лицевую панель;
SПЗ– площадь оперативного поля зрения, определенная по формуле
/>, (9.5)
где/>= /> — уголоперативного поля зрения.
Учитывается,что в поле зрения оператора должно попадать 4…8 компонентов лицевой панели(примем 6) и приняв />, получим: />
Фактическаяплощадь лицевой панели выбирается из условия:
/> (9.6)
Вданном случае:
/>
Минимальнодопустимая высота знака надписей, позволяющая оператору надежно ихраспознавать, определяется по формуле
/> , (9.7)
где/>-минимальный угловой размер знака.
Минимальнодопустимая ширина знака оценивается выражением
/> , (9.8)
где/> - форматзнака ./>
Получим/> и />.
Всекомпоненты должны иметь не только соответствующие размеры, но и выделяться нафоне лицевой панели при соответствующей внешней освещенности, т.е. они должныиметь необходимый контраст по отношению к фону:
/> (9.9)
гдеК – коэффициент контраста.
Рассчитаемкоэффициент контраста для индикатора. Он будет иметь обратный контраст:
/>, (9.10)
гдеВФ — яркость фона;
ВП — яркость предмета (индикатора).
Яркостьфона определяется из соотношения
/>, (9.11)
где/>-освещенность поверхности;
/> - коэффициент отражения поверхности (лицевая панель черногоцвета);
/>-яркость отражения.
Яркостьиндикатора оценивается соотношением
/>, (9.12)
гдеI — сила света источника ( I =0,9 мкКд — светодиод АЛ 307 Б — красного цвета свечения );
/> -площадь светящейся поверхности;
/> - угол, подкоторым видна светящаяся поверхность оператору (/>).
Врезультате получим, что />, что удовлетворяет условию (9.9).
Органыуправления, являющиеся компонентами лицевой панели, должны быть не толькохорошо различимы на лицевой панели, но и отвечать эргономическим требованиям. Ихформа должна быть удобной для захвата рукой оператора, а размеры обеспечиватьтребуемые усилия для приведения их в действие.
Дляприводных элементов нажимного действия (кнопки управления) их размер (площадь)может быть определена по формуле
/> , (9.13)
где/> — сопротивление нажатию наоси органа управления;
/> - площадь осиоргана управления;
/> величинадопустимого усилия для приводных элементов приводного действия.
Кнопкинаборного поля имеют сопротивление нажатию Fдоп= 3Н,площадь оси />=28 мм ².Определим размер приводных элементов по формуле (9.13)
/> ²
Лицеваяпанель управления выполнена черного цвета для обеспечения требуемых контрастови надписей. Надписи выполнены белой несмываемой краской, шрифтом не менее 4мм.
Кнопка« Cброс » располагается в левом верхнем углу, так какбольшинство людей работают правой рукой, а операции с данным органом управлениябудут производиться редко, индикаторы в центре, а наборное поле с правойстороны для более лёгкого доступа правой рукой.
Проанализироваввсе приведенные выше расчеты можно сделать выводы о том, что спроектированноеустройство управления временными параметрами на базе ЦПС удовлетворяетэргономическим и эстетическим требованиям, предъявляемых к блокам такого типа.
Списокиспользованных источников
1. Романов Ф.И.,Шахнов В.А., “Конструкционные системы микро- и персональных ЭВМ”, Москва, ВШ,1995г.
2. Шерстнёв В.В.,“Конструирование и микроминиатюризация ЭВМ”, Москва, ВШ, 1984г.