СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
1 Анализ технического задания
2 Анализ известных разработок по теме дипломного проекта
3 Разработка конструкции цифрового синтезатора ч.-м. сигналов
3.1 Разработка принципиальных схем синтезатора
3.2 Выбор и обоснование элементной базы
3.3 Разработка концептуального алгоритма устройства
3.4 Разработка, выбор и обоснование конструктивныхсоставляющих синтезатора
3.5 Выбор и обоснование методов монтажа и межсоединений
3.5.1 Разработка печатной платы устройства с использованиемСАПР
3.6 Защита конструкции синтезатора от внешних и внутреннихдестабилизирующих факторов
3.7 Описание уточненного окончательного варианта компоновки иконструкции синтезатора
4 Разработка вопросов технологии изготовления синтезатора
4.1 Разработка технологической схемы сборки
5 Организационно – экономическая часть
6 Техника безопасности и охрана труда
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Характерной чертой современной радиотехники является использованиесложных сигналов, то есть сигналов, у которых произведение длительности наширину спектра значительно превышает единицу.
Например, в радиолокации применение зондирующих импульсов большойдлительности позволяет получить большую энергию сигнала и, следовательно,большую дальность, при допустимой мощности излучения. В то же время применениечастотной модуляции позволяет получить широкий спектр сигнала и, следовательно,малую длительность отраженного импульса после сжатия. В результате при большойдальности достигается высокая точность и разрешающая способность.
Целью данного проектаявляется разработка конструкции цифрового синтезатора частотно – модулированныхсигналов, предназначенного для использования в ионозонде для исследованияионосферы в к.в.- диапазоне. Цифровые синтезаторы частотно – модулированныхсигналов должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферногок.в.- канала связи с высокой разрешающей способностью по времени груповогозапаздывания.
В составе л.ч.м. –ионозонда, цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналовпредназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродинаприемника В данной конструкции, по сравнению с аналогичными приборами, устраненряд недостатков: упрощен процесс регулирования, максимальное упрощениеконструкции и электрической схемы, защищенность от механических факторов,повышена точность измерений.
В ходе дипломногопроектирования решаются следующие задачи:
1) Проводится анализ технического задания.
2) Разрабатываетсяконструкция цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.
3) Проводятся расчеты надежности, виброзащищённости, массы изделия,теплового расчета и расчета элементов печатного монтажа.
4) Разрабатываются принципиальные схемысинтезатора.
5) Выбирается элементная база.
6) Разрабатываются, выбираются и обосновываютсяконструктивные составляющие синтезатора.
7) Выбирается метод монтажаи межсоединений.
8) Производится защитаконструкции синтезатора от дестабилизирующих факторов.
9) Разрабатываютсявопросы технологии изготовления синтезатора.
10) Экономическиобосновывается целесообразность изготовления устройства.
11) С точки зрения охраны труда иэкологической безопасности оценивается обеспечение электробезопасности приэксплуатации цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.
Решив всеприведенные выше задачи необходимо проанализировать полученные по всем пунктамрезультаты и сделать окончательный вывод по проекту.
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГОЗАДАНИЯ
Основание для разработки
Основанием для разработки является заданиена дипломное проектирование.Источники разработки
Модуль должен быть спроектирован на основеуже существующих схемных решений аналогичных устройств.
Техническиетребования.
Техническиехарактеристики.
Разрабатываемыймодуль должен иметь следующие параметры:
· диапазон частотот 10*-2 до 2.5*10*6 Гц;
· минимальный шагизменения частоты – 0.0025 Гц;
· скоростьперестройки частоты 1 – 10000 кГц/с;
Конструктивно – технологическиетребования
Материалы и комплектующие изделия должныприменяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.
Конструкция изделия должна обеспечиватьсборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования.Допускается применение специальных приспособлений.
Показатели технологичности конструкцииизделия должны соответствовать ГОСТ 14.201 – 73.
Габариты устройства – не заданы.
Масса модуля – не более 3 кг.
Требования к надежности
Наработка на отказ устройства должна быть2500 часов в нормальных условиях эксплуатации.
Требования к маркировке, эксплуатации ихранению.
Маркировка разрабатываемого устройствадолжна соответствовать требованиям ГОСТ 21552 – 84. Она должна содержать:
- торговое наименование по ГОСТ26794 – 85;
- торговый знак и (или) наименованияпредприятия –изготовителя;
- месяц и год выпуска;
- отметку ОТК предприятияизготовителя;
- порядковый номер изделия посистеме нумерации предприятия – изготовителя;
- предупредительные знаки по ГОСТ12.2.006;
- обозначение стандарта на модуль;
- дополнительные требования(определяет предприятие — изготовитель).
Место и способ нанесения маркировкиустанавливаются в ТУ на модуль.
Упаковка изделия должна производитьсясогласно требованиям ГОСТ 21552 – 84 [3].
Условия эксплуатации должны производитьсяпо ГОСТ 22261 – 94.
Условия хранения должны соответствоватьГОСТ 22261 – 94.
Экономические показатели
Тип производства – мелкосерийное. Предполагаемаяпрограмма выпуска – 500 шт. в год.
Назначение и общая характеристикацифрового синтезатора ч.м.- сигналов
Разрабатываемоеустройство – синтезатор частотно – модулированных сигналов, можетиспользоваться в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Приборпозволяет формировать линейные частотно – модулированные сигналы и предназначендля работы в составе л.ч.м.- ионозонда в качестве возбудителя передатчика.
Выигрыш по быстродействиюдостигается за счет того, что в данном блоке нет сложных операций с массивамивходных данных.Синтезатор формирует сигнал треугольной формы, а затем нафильтре нижних часторт выделяется только первая гармоника сигнала. Фильтрнижних частот служит для подавления в спектре выходного сигнала высокочастотныхсоставляющих и настраивается только на пропускание первой гармоникисформированного сигнала. В результате на выходе синтезатора частот формируетсясигнал с линейной частотной модуляцией.
Что касается цифровогосинтезатора частотно – модулированных сигналов с быстрой перестройкой рабочейчастоты, то применение данного синтезатора в качестве возбудителя передатчика игетеродина приемника в к.в. ч.м.- ионозонде позволит решать задачи поисследованию быстропротекающих динамических процессов, происходящих вионосфере, при ее модификации мощным к.в.- излучением, а так – же в условияхсильных магнитосферных и ионосферных возмущений.
В отличие от цифровогосинтезатора без быстрой перестройки рабочей частоты, здесь увеличена скоростьперестройки частоты благодаря
2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХРАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
Патентный поиск
Целью патентныхисследований является получение исходных данных для обеспечения высокоготехнического уровня и конкурентоспособности объектов техники, для использованиясовременных объектов НТП и исключения неоправданного дублирования исследованийи разработок.
Частью патентныхисследований является патентный поиск. Поиск проводится для проверкипатентоспособности технического решения, установления уровня техники ипатентной чистоты объекта, определения условий реализации прав патентообладателяи т. д.
Различают несколько видовпатентного поиска:
первый вид:
тематический (предметный)поиск наиболее распространен, его проводят для выявления изобретений(промышленных образцов, товарных знаков), имеющих отношение к исследуемомувопросу.
второй вид:
именной (тематический)поиск направлен на обнаружение документов конкретного лица (фирмы). Чаще всегоон является этапом тематического поиска.
третий вид:
нумерационный поиск имеетцелью установить ряд обстоятельств, касающихся конкретного охранного документа:его тематической принадлежности, связи с другими документами, правовогостатуса.
С целью выясненияпатентной чистоты проектируемого модуля был проведен патентный поиск глубиной 3года в результате которого был обнаружен аналог на территории стран СНГ.
Анализ информации,полученной из сети INTERNET, показал,что подобные усторойства разрабартывались в Марийском ГТУ (г. Йошкар — Ола) иНИРФИ (г. Нижний Новгород).
Сигнал с линейнойчастотной модуляцией (л.ч.м.) применяли в ионозонде для исследования ионосферыв к.в. – диапазоне. Центральное местоо в этом радиокомплексе занимают цифровыесинтезаторы л.ч.м. – сигналов, которые должны быть когерентными между собой длязондирования ионосферного к.в. – канала связи с высокой разрешающей способностьюпо времени группового запаздывания.
Разработанные цифровыесинтезаторы частотно – модулированных сигналов были предназначены для работы вкачестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в составе л.ч.м. –ионозонда.
Для решения задач диагностикиионосферы требуется шаг перестройки не более 0.1 Гц, но в связи с тем, чточастота выходного колебания цифрового синтезатора в данной системе умножатся в16 раз, минимальный шаг по частоте в диапазоне частот до 5 МГц не должен былпревышать 0.1/16 это примерно равно 0.006 Гц.
Допустимое времяпереключения частоты колеблется в широких пределах в зависимости от назначениясинтезатора. В частности, при использовании синтезатора в связном приемнике наразличных частоотах время переключения может быть порядка секунды; припереключении частот здесь допустимы не только скачки фазы, но и полноекратковременное пропадание сигнала. С другой стороны, при использованиицифрового синтезатора частот в адаптивном радиокомплексе в кольце петли фазовойавтоподстройки частоты желательно полное отсутствие переходных процессов припереключении частот (нулевое время переключения).
3. РАЗРАБОТКАКОНСТРУКЦИИ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА Ч.М. — СИГНАЛОВ
Расчет показателейнадежности устройства
Проблема обеспечениянадежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом егопрактического использования. Надежность изделия в основном закладывается впроцессе его конструирования и обеспечивается в процессе его изготовления путемправильного выбора технологии производства, контроля качества исходныхматериалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условийизготовления. Надежность обеспечивается применением правильных способовхранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией, планомерным уходом,профилактическим контролем и ремонтом. Принимая во внимание выше сказанное,следует определить необходимость специальных мер для повышения или же длястабилизации показателей надежности [8].
В зависимости отназначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включатьбезотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Дляконкретных же объектов и условий эксплуатации эти свойства могут иметьразличную относительную значимость. Применительно к цифровому синтезаторучастотно – модулированных сигналов, наиболее часто употребляются следующиепоказатели надежности:
— вероятность безотказнойработы /> - вероятность того, что впределах заданной наработки, отказ объекта не возникнет;
— средняя наработка наотказ /> - отношение суммарнойнаработки объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этойнаработки
— заданная наработка /> (заданное времябезотказной работы) — наработка, в течение которой объект должен безотказноработать для выполнения своих функций;
— интенсивностьотказов /> - вероятность отказовнеремонтируемого изделия в единицу времени после заданного момента времени приусловии, что до этого отказ не возникал. Другими словами — это число отказов вединицу времени отнесенное к среднему числу элементов, исправно работающих вданный момент времени.
Оперируя этими понятиямиможно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведем расчет,приняв следующие допущения:
-отказы случайны инезависимы;
-учитываются тольковнезапные отказы;
-имеет местоэкспоненциальный закон надежности.
Последнее допущениеосновано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место только случайныеотказы, действует экспоненциальный закон распределения — закон Пуассона — ивероятность работы в течение времени /> равна:
/> (3. 1)
Учитывая то что с точкизрения надежности все основные функциональные узлы и элементы в изделиисоединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг от друга,т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого и приводит квнезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяется какпроизведение значений надежности для отдельных /> элементов[8]:
/> (3.2)
С учетом (3.1) получим:
/> (3.3)
где /> — интенсивность отказов />-го элемента с учетомрежима и условий работы.
Учет влияния режимаработы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощьюпоправочного коэффициента /> -коэффициента эксплуатации и тогда /> вформуле (3.4) выразится как:
/>(3.4)
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:
/>, (3.5)
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 /> определяются из справочныхзависимостей и таблиц, где они приведены в виде /> и/>, как объединенные />с /> и />с />.
После этого можноопределить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия поформуле:
/> , (3.6)
где /> — число элементов в группе;
/> - интенсивность отказа элементов в />-ой группе;
/> - коэффициент эксплуатации элементовв />-ой группе;
/> - общее число групп.
Исходные данные погруппам элементов, необходимые для расчета показателей надежности приведены втабл. 3.1 Значения интенсивностей отказов взяты из справочников.
Таблица 3.1 — Справочные ирасчетные данные об элементах конструкции
/>гр.
Наименование
группы
/>
/>1/ч
/>
/>
/>
/>1/ч
/>
ч
/> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Резисторы 9 0.06 1.71 1.07 1.83 2.75 0.8 0.03 2 Конденсаторы 4 0.15 0.35 1.07 0.38 0.97 1.1 0.01 3 Диодный мост 1 0.4 1.08 1.07 1.16 0.46 0.4 0.01 4 Микросхемы 27 0.02 0.7 1.07 0.75 0.05 0.5 0.01 5 Трансформатор 1 0.025 3.0 1.07 3.21 0.08 2.1 0.01 6 Переключатель сетевой 1 0.4 0.8 1.07 0.86 0.34 1.2 0.01 7 Разъем (20 выв. ) 3 0.4 0.7 1.07 75 0.3 6 0.01 8 Разъем (40 выв. ) 1 3.2 0.7 1.07 0.75 4.8 2 0.6 9 Предохранитель плавкий 1 0.5 0.5 1.07 0.54 0.27 1 0.1 10 Шнур питания 1 4.0 0.5 1.07 0.54 16 9 03 11 Держатель предохранителя 1 0.2 0.7 1.07 0.75 15 3 01 12 Провода соединительные 35 0.3 0.8 1.07 0.86 9.29 0.3 11 13 Соединения пайкой 341 0.1 0.8 1.07 0.86 9.3 1.2 0.36 14 Плата печатная 1 0.2 0.6 1.07 0.64 13 3.2 0.01 15 Несущая конструкция РЭА 1 3.0 0.6 1.07 0.64 92 3 0.02 16 Соединения винтами 30 0.001 0.6 1.07 0.64 0.2 5 0.01
Воспользовавшись даннымитабл. 3.1 по формуле (3.6) можно определить суммарную интенсивность отказов />:
/> 1/час.
Далее найдем среднююнаработку на отказ />, применивследующую формулу:
/> (3.7)
Итак, имеем:
/> часов.
Вероятность безотказнойработы определяется исходя из формулы (3.3), приведенной к следующему виду:
/>, (3.8)
где /> время безотказной работы.
Итак, имеем:
/>
Среднее времявосстановления определяется последующей формуле [8]:
/>, (3.9)
где />/>-вероятность отказа элемента i-ой группы;
/> — случайное время восстановленияэлемента i-ой группы.
подставив значения вформулу (3.9), получим среднее время восстановления />=0.877ч.Далее можно определить вероятность восстановления по формуле:
/>, (3.10)
где />=0.72ч.
Следовательно по формуле(3.10) определим />, что больше />.
Таким образом, полученныеданные удовлетворяют требованиям по надежности, так как при заданном временинепрерывной работы/> ч проектируемыйблок будет работать с вероятностью /> . Приэтом он будет иметь среднюю наработку на отказ /> чи вероятность восстановления /> следовательно,дополнительных мер по повышению надежности цифрового синтезатора ч.м. — сигналов не требуется.
Расчет массыизделия
Рассчитаем габаритные размеры,объем и массу изделия по формулам:
V = /> */>, (3.11)
M = Km * /> , (3.12)
M = M' * V,(3.13)
Здесь V, M – общий объем имасса изделия;
kv – обобщенныйкоэффициент заполнения объема изделия элементами
Vi,Mi – значения установочныхобъемов и массы i-х элементов конструкции;
Km – обобщенный коэффициент объемноймассы изделия;
М' – объемная масса аппарата;
n – общее количество элементовконструкции изделия.
Исходными данными для расчетаявляются:
1) количествоэлементов в блоке;
2) установочнаяплощадь каждого элемента;
3) установочныйобъем каждого элемента;
4) установочныйвес каждого элемента;
5) количестводеталей;
6) объемблока;
7) весблока;
8) количествонаименований деталей;
9) линейныеразмеры.
kv возьмем равным0.55. Для прибора можно принять Мў=0.4кг/дм3.
Сведения об установочныхразмерах элементов и их массе сведены в таблицу 3.2
Таблица 3.2
Значение установочного объема имассы элементов изделияНаименование элемента Кол-во
Vi, мм3 Мi, гр. 1 2 3 4 1.Плата: Резистор МЛТ–0.25 9 1865 2.2 Конденсатор К53-1А 4 2016 6 Микросхема 533ТЛ2 2 1320 2.3 Микросхема 533АГ3 2 1210 1.9 Микросхема 533ЛА3 2 1150 1.7 Микросхема 573РФ2 6 1920 3.1 Микросхема 533ИК4 4 1310 2.1 Микросхема КМ1118ПА2А 1 1540 3.3 Микросхема К1518ВЖ1 1 2320 4.3 Микросхема 533ЛП5 3 1410 2.8 Микросхема 1108ПА1А 1 1830 3.2 Плата 1 39400 43.4 2.Плата сетевая 1 19200 19.2 3.Тумблер 2 17640 24 4.Разьем 4 7500 50 5.Трансформатор 1 126000 500 6.Разьем 4 7500 50 7.Ручка 2 2386 5 8.Панель 1 16500 50
Суммарный объем, занимаемый всемиэлементами конструкции, посчитанный по табличным данным составляет
/>=2058625мм3
По формуле (4.1.1)определяемориентировочный объем блока
V=6548000мм3
Согласно проведенным расчетамвыбираем габаритные размеры блока 320х245х150 мм.
По формуле (3.12) определяемориентировочную массу блока:
М =2.426 кг
В соответствии с ТЗ масса блокадолжна быть не более 3 кг.
По результатам расчета можносделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиямтехнического задания. Коэффициент использования объемаравен 0.55потому.
Расчеттеплового режима
Все компоненты блока сопряженияфункционируют в строго ограниченном температурном диапазоне. Выход температурыза предельно допустимые пределы может привести к необратимым структурнымизменениям. Высокая надёжность и длительный срок службы ЭВА будутгарантированы, если температура среды внутри конструкции нормальная (15±5°C) и изменяется не более чем на2°C в час. Для выполнения этогоусловия необходимо выбрать оптимальную систему охлаждения.
Приведем методику методикурасчета.
Исходными данными для выбораохлаждения являются:
1) суммарнаямощность P, рассеиваемая в конструктивном модуле;
2) давлениеокружающей среды;
3) давлениевнутри блока;
4) коэффициентзаполнения блока;
5) габаритныеразмеры блока;
6) времянепрерывной работы t.
Приведем порядок расчета блокав герметичном корпусе:
1) рассчитываетсяповерхность корпуса блока по формуле:
Sк=2[l1*l2+(l1+l2)*l3],(3.13)
где l1,l2– горизонтальные размеры корпуса;
l3 – вертикальныйразмер корпуса.
2) определяетсяусловная поверхность нагретой зоны по формуле
Sк=2[l1*l2+(l1+l2)*l3*Кз],(3.14)
где Кз – коэффициентзаполнения.
3) определяетсяудельная мощность корпуса по формуле:
qк=Рз/Sк (3.15)
где Рз – мощность, рассеиваемаянагретой зоной.
4) рассчитывается удельнаямощность нагретой зоны
qз=Рз/Sз (3.16)
5) находится коэффициент J1 в зависимости отудельной мощности корпуса блока
J1=0.1472*qк-0.2962*10-3*qк2+0.3127*10-6*qк3 (3.17)
6) находитсякоэффициент J2 в зависимости отудельной мощности нагретой зоны:
J2=0.1390*qз-0.1223*10-3*qз2+0.0698*10-6*qз3 (3.18)
7) находитсякоэффициент Кн1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока :
Кн1=0.82+/>,(3.19)
где Н1 – величинаатмосферного давления вне корпуса.
8) находитсякоэффициент Кн2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блокаН2
Кн2=0.8+/>, (3.20)
9) определяется перегревкорпуса:
Jк=J1*Кн1. (3.21)
10) рассчитывается перегревнагретой зоны:
Jз=Jк+(J2–J1)*Кн2. (3.22)
11) определяется среднийперегрев воздуха в блоке:
Jв=0.5*(Jк+Jз)(3.23)
12) определяется удельнаямощность элемента:
qэл=Рэл/Sэл(3.24)
где Рэл – мощность,рассеиваемая элементом, температуру которого требуется определить;
Sэл – площадь поверхностиэлемента, омываемая воздухом.
13) рассчитывается перегревповерхности элементов:
Jэл=Jз(а+b*qэл/qз)(3.25)
14) рассчитывается перегревокружающей элемент среды:
Jэ-с=Jв(0.75+0.25*qэл/qз)(3.26)
15) определяется температуракорпуса блока:
Тк=Jк+Тс (3.27)
где Тс – температура окружающейсреды;
16) определяется температуранагретой зоны:
Тз=Jз+Тс (3.28)
17) определяется температураповерхности элемента:
Тэл=Jэл+Тс(3.29)
18) находится средняятемпература воздуха в блоке:
Тв=Jв+Тс(3.30)
19) рассчитывается температураокружающей среды:
Тэ-с=Jэ-с+Тс (3.31)
Расчет конструкции навиброзащищенность
Для того чтобы проверитьнасколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий,необходимо провести расчет собственной частоты вибраций платы. В данном случаеплата является единственной колебательной системой. Жесткость платы зависит отматериала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.
Печатная плата имеетпрямоугольную форму следующих размеров:
axbxh=280 мм x 150 мм x 1.5 мм
При расчете собственнойчастоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:
плата представляется ввиде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;
ЭРЭ на платерасполагаются равномерно на ее поверхности;
плата с элементамипринимается за тонкую пластину, так как b/h
материал платыоднородный, идеально упругий, изотропный;
возникающие изгибныедеформации малы по сравнению с толщиной платы;
при изгибе платынейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).
Для пластин с четырьмяточками крепления частота собственных колебаний платы, определяется по формуле:
/>, (3.11)
где a = 0,28 м.длинна платы;
b = 0,15 м. ширина платы;
/>цилиндрическая жесткость платы, />;
/>;
/> распределенная по площади массаплаты и элементов, />.
Цилиндрическая жесткостьплаты определяется по формуле:
/> (3.12)
где /> — модуль упругости материала платы;
/> - толщина платы;
/> — коэффициент Пуассона.
/> (3.13)
Распределенная по площадимасса платы и элементов определяется из выражения:
/>, (3.14)
где /> — удельная плотностьматериала платы;
/> — масса элементов, установленных наплате, />.
/>, (3.15)
где /> — масса i — го элемента, установленного наплате, />;
n = 40 — количество элементов, установленныхна плате.
Воспользовавшисьсправочными данными получим
mэ = 104,2´10 –3 кг. следовательно,
/>
Подставляя найденныевеличины в формулу (4.2.1), определим минимальную частоту собственных колебанийплаты. Она будет минимальной при />, />.
/>
В результате механическихвоздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенностипри возникновении механического резонанса. Чаще всего усталостные отказыпроявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений, нарушенияконтактов в разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечитьвыполнение условия
/> (3.16)
где /> — минимальная частота собственныхколебаний платы;
/> — ускорение свободного падения, g = 9,8м/c2;
/> — безразмерная постоянная, выбираемаяв зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.
/> — максимальные вибрационныеперегрузки, выраженные в единицах g./>
Следовательно,
¦min 85Гц
Значит, проектируемаяплата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.
Определим эффективностьвиброзащиты по формуле:
/> , (3.17)
где /> — верхняя частота диапазонавоздействующих частот, Гц;
/> — резонансная колебаний печатнойплаты, Гц.
Подставив значения,получим:
/>.
Таким образом, можносказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных воздействий.
3.1 Разработка принципиальных схемсинтезатора
Цифровой синтезаторчастотно – модулированных сигналов позволяет формировать л.ч.м. – сигналы ипредназначен для работы в составе л.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителяпередатчика.
На принципиальной схеме цифрового синтезатора частотно – модулированныхсигналов наиболее полно изображены все электрические элементы и устройства,необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрическихпроцессов, все связи между ними, а также элементы подключения, которыми заканчиваютсявходные и выходные цепи.
Принципиальная схема цифровогосинтезатора ч.м. – сигналов
Принципиальная схемацифрового сиртезатора приведена на схеме 003.Э3. В качестве опорного генератораиспользован стандарт частоты и времени Ч1 – 73, частота которого удваиваетсяпри помощи умножителя частоты; блок задержки выполнен на триггерах Шмитта DD1, ждущих мультивибраторах DD2 и логических элементах DD3; оба блока ПЗУ – DD4 – DD7; регистр памяти Рг1 объединен в одном корпусе с накопителемН1 – DD10, DD11, а регистр памяти Рг2 с накопителем Н2 – DD8, DD9; цифроаналоговый преобразователь DD12 включает в свой состав также преобразователь кодов. Устройствоработает следующим образом. Сигнал опорного генератора (Ч1 — 73) частотой 5 МГцпоступает на удвоитель частоты, и на вход 1/DD1 подается сигнал с тактовой частотой fТ = 10 МГц, из которого формируютсяимпульсы формы “меандр”, разнесенные по времени на величину задержкипереключения триггеров Шмитта: CLK1, CLK2, CLK3, CLK4,которые подключены к входам синхронизации 2/DD8 – DD11.
По положительному фронтуимпульса запуска fз запускаютсяждущие мультивибраторы, собранные на микросхеме DD2, которые формируют импульсы отрицательной полярностидлительностью t1 = 0.333 мкс иt2 = 0.1 мкс. Эти импульсы служат длязаписи кода начальной частоты во входной регистр первого накопителя. Изуправляющей э.в.м. адрес кода начальной частоты Сi поступает на адресные входы 8 – 1, 23, 22, 19/DD4 – DD7. С приходом первого тактового импульса 32 – разрядный код Ci записывается в регистр первогонакопителя (DD8, DD9), по второму тактовому импульсу происходит установка в “0”его входного регистра и сумма S = Ci + 0 переписывается в регистр второгонакопителя (DD10, DD11). После завершения действия импульсов запуска с каждымпоследующим тактовым импульсом будет происходить изменение результатасуммирования в первом накопителе DD8, DD9, который является счетчиком частотыпо формуле:
A = Ci + T/Dk
где А – результатсуммирования, Ci – код начальной частоты, Т – номертактового импульса, Dk – кодкоэффициента деления счетчика.
В приведенной схемеотсутствуют блок ПЗУ1 и счетчик с предварительной установкой Сч, поэтому Dk = 1 и скорость изменения частотыбудет постоянной. Во втором накопителе DD10, DD11выходной код изменяется по формуле:
B = AT = CiT + T*2/ Dk.
Старший разряд 18/DD10 является знаковым и управляетсяинверсией (L, H) ЦАП – 20, 21/DD12.Если SSGN = 1 – обратный код суммы. На выходеЦАП формируется аналоговый сигнал с максимальной частотой fc до 2.5 МГц.
Принципиальная схемацифрового синтезатора ч.м. – сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты
Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. – сигналов с быстройперестройкой рабочей частоты показана на схеме 004.Э3. В качестве опорногогенератора исспользуется сигнал стандарта частоты и времени Ч1 – 73 частотой 5МГц. Блок задержки содержит триггеры Шмитта DD1, ждущиемультивибраторы DD2, логические элементы 2И – НЕ DD3;делитель с переменным коэффициентом деления DD4 служит длязадания скорости изменения частоты синтезатора; блок ПЗУ рализован на DD5, DD6;счетчик частоты (синхронный) Сч – DD7 – DD10. Умножителькодов объединен с накопителем – DD11; преобразователь кодов – DD12– DD14; цифроаналоговый преобразователь — DD15.Микросхема К1518ВЖ1 представляет собой умножитель аккумулятор, т.е. умножителькодов со встроенным 35 – разрядным накопителем произведений. Если на вход 52 /DD11подать логическую “1”, то будет происходить накопление результатов произведенияпо формуле:
j = S = XiYjT + YjT*2
где S – код суммирования, Xi – константа,записанная в блоке постоянного запоминания, Т – номер тактового импульса.
Устройство работает следующим образом. На адресные входы 8 – 1, 23, 22,19/DD5, DD6 из управляющей э.в.м. поступает адрес выборки Xi ина входы 8 – 23/DD11 – код Yj, которые определяютчастотусинтезиркемого сигнала; код коэффициента деления счетчика Dk –на входы 3 — 6/DD4. При поступлении импульса запуска на входы 2, 10/DD2ждущих мультивибраторов, собраных на элементах DD2.1, DD2.2и DD3, формируются импульсы записиотрицательнойполярности, которые поступают на входы 9/DD7 – DD10и 2/DD7 – DD10 счетчика частоты, при этом 16 – разрядный код Yj –в регистр Yj умножителя кодов DD11, а 4 –разрядный код Dk – в счетчик с предварительной установкой DD4.
Затем с каждым тактовым импульсом Т выходной код счетчика частоты обновляетсяпо формуле:
П = XY = (Xi + T)Yj
а код произведения будет изменяться по формуле:
S = ПТ = (Xi + T)YjT = XiYjT + YjT*2
При постоянных коэффициентах это соответствует линейному закону изменениячастоты. Цифровой синтезатор с быстрой перестройкой рабочей частоты может бытьиспользован в составе передающих и приемных устройств для повышенияпомехозащищенности, скрытности и надежности систем к.в.- и у.к.в. – связи.
3.2 Выбор иобоснование элементной базы
Припроектировании цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов однимиз самых важных этапов является выбор типов элементов, входящих в конструкцию.Правильно выбранная элементная база позволит обеспечить надежноефункционирование составных частей и всего изделия в целом; снизить вероятностьвозникновения помех из-за несогласованности входов одних элементов с выходамидругих; получить высокие эксплуатационные характеристики; уменьшитьэнергопотребление за счет применения элементов, изготовленных по передовымтехнологиям; добиться лучших массогабаритных показателей; повыситьремонтопригодность аппаратуры; расширить технические возможностиразрабатываемой аппаратуры.
В общем случаекритерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствиетехнологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиямэксплуатации.
Основнымипараметрами при выборе ЭРЭ являются:
1) техническиепараметры ЭРЭ:
— номинальные значенияпараметров ЭРЭ согласно схеме электрической принципиальной;
— допустимые рабочие напряжения;
— допустимые рассеиваемые мощности;
— диапазон рабочих частот;
— коэффициент электрической нагрузки;
2)эксплуатационные параметры:
— диапазон рабочих температур;
— относительная влажность воздуха;
— давление окружающей среды;
— вибрационные и ударные нагрузки.
Дополнительнымикритериями выбора ЭРЭ являются: надежность, унификация ЭРЭ, масса и габариты,стоимость. Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволит обеспечитьстабильную работу на протяжении всего срока службы изделия.
Проведем сравнительнуюоценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплутационных параметроврадиоэлементов, используемых в разрабатываемом синтезаторе частотно –модулированных сигналов.
Мы имеемследующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующего типа:
К53-1А — конденсаторыоксидные алюминиевые полярные с фольговыми обкладками. Предназначены для работыв цепях постоянного и пульсирующих токов — интервал температур -20 ...+70 0С;
— относительная влажностьпри +40 0С до 98 % ;
— давление 6,6… 2942гПа.
Сопоставляяусловия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типовконденсаторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации устройства.
Мы имеемследующие характеристики используемых резисторов:
МЛТ:
— номинальная мощность0,125 и 0,25 Вт;
— диапазон номинальныхсопротивлений />;
— масса 0,15 г;
— уровень собственныхшумов 1, 5 />;
-температура окружающейсреды при нормальной электрической нагрузке от -60 до +70 />;
-относительная влажностьвоздуха при температуре />до 98 %;
— пониженное атмосферноедавление до 133 Па;
— предельное рабочеенапряжение постоянного и переменного тока 200 В;
— минимальная наработка25000 ч;
— срок сохраняемости 25лет.
Условияэксплуатации выбранных резисторов совпадают с условиями эксплуатациипроектируемого прибора, следовательно эти элементы пригодны для применения.
Еслирассматривать выбранные для синтезатора микросхемы, то можно убедиться, что иони полностью подходят к устройству.
Таким образом, применениев измерителе углов смещения современной новейшей базы позволяет получить болеевысокие показатели компоновки, надёжности, энергопотребления, а следовательно, иснижение температурных режимов, что выгодно как с конструкторской точки зрения,так и с экономической. Применение новой современной базы позволят использоватьвысокоэффективные техпроцессы.
Не менее важным этапом впроектировании является выбор материалов несущих конструкций и деталей. Однаковыбор материала является сложной задачей, так как в большинстве случаев детальможно изготовить либо из однородного материала, либо из сложной ихсовокупности.
Правильный выборматериала может быть сделан на основании анализа функционального назначениядетали, условий ее эксплуатации и технологических показателей, с учетомследующих факторов:
1) Материал определяетспособность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действиюклиматических и механических воздействий;
2) Материал определяеттехнологические характеристики детали;
3) От свойств материалазависит точность изготовления детали;
4) Материал влияет нагабариты и массу прибора;
5) Материал оказываетвлияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность идолговечность.
Исходя извышеперечисленных факторов, для корпуса цифрового синтезатора частотно –модулированных сигналов выбран материал-дюралюминий Д16. Этот выбор можнообъяснить тем, что данный материал удовлетворяет требованиям достаточнойпрочности и жесткости, а также дает весомый выигрыш в массе по сравнению сдругими металлическими материалами.
В качестве материала дляпечатной платы используем стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолитпредставляет собой слоистый прессованный материал, пропитанный терсореактивнымсвязующим и облицованный с одной из двух сторон медной электролитическойоксидированной или гальваностойкой фольгой. Стеклотекстолит марки СФ -2 — 35-1.5 ГОСТ 10316-78. Толщина материала с фольгой составляет 1.5мм, толщинафольги 35 мкм. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой спресованныеслои стеклоткани, пропитанные эпокалфенольной смолой с содержанием смолы 40%,применяется для ОПП и ДПП.
В качестве припояиспользуется ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Припой представляет собой сплав олова 60% исвинца 40%, применяемый в качестве связующего вещества при пайке ЭРЭ напечатную плату, а также для внутриблочной пайки соединений. Температураплавления припоя ПОС-61 составляет 190 />.
После сборки и пайкиплаты устройства для защиты от влаги и пыли ее защищают с помощью лака УР 231.
Все вышеперечисленные качества позволяют разработать высококачественные,конкурентноспособные.
3.3 Предварительная компоновкаустройства
Широкоераспространение в практике конструирования получила плоская компоновка, когдаинтегральные микросхемы (ИМС) и электрорадиоэлементы (ЭРЭ) устанавливаются вплоскости платы. Для плоской компоновки характерна малая высота установки ИМС иЭРЭ по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ,легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный теплоотвод являютсяосновными преимуществами плоской компоновки. Для исключения влияния на схемупомех по электропитанию на плату совместно с микросхемами устанавливаютразвязывающие конденсаторы.
При размещениикомпонентов на плате реализуемая электронная схема разбивается на функциональносвязанные группы. Затем производится размещение компонентов каждой группы.Группы компонентов, имеющие наибольшее число внешних связей, размещаются вблизисоединителя. Группа с наибольшим числом связей с уже размещенной на платегруппой компонентов располагается рядом и т.д. При размещении стараются обеспечитьравномерное распределение масс компонентов по поверхности платы, минимальныедлины связей, максимальную помехозащищенность [5]. Руководствуясь вышеперечисленными правилами расположим память ближе к регистру памяти, которыйобъединен с накопителем, регистры –ближе к шине, чтоб обеспечить минимальнуюдлину связей данной функциональной группы. ЦАП – ближе к разъему, тем самыммаксимально уменьшим длину связей, по которым передается цифровой сигнал иизбежим излишних помех.
От правильногорасположения корпусов микросхем на печатных платах зависят габариты, надежностьработы, помехоустойчивость платы. Чем плотнее будут располагаться корпусамикросхем на плоскости печатных плат, тем сложнее автоматизировать их монтаж,тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровеньпомех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояниемежду микросхемами, тем менее эффективно используется площадь платы, тем большедлина связей. Поэтому при установке микросхем на печатные платы следуетучитывать все последствия выбора того или иного варианта их размещения.
Выбор шагаустановки микросхем на печатной плате определяется требуемой плотностьюкомпоновки микросхем, температурным режимом работы, сложностью принципиальнойэлектрической схемы и конструктивными параметрами корпуса микросхемы. Внезависимости от типа корпуса шаг установки ИМС рекомендуется принимать кратным2.5 мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1.5 мм. Втехнически обоснованных случаях шаг установки микросхем может быть приняткратным 1.25 мм [6]. Микросхемы на печатных платах располагаютлинейно-многорядно, однако, допускается их размещение в шахматном порядке.Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессысборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадьпечатной платы и прямоугольную систему координат для определения местарасположения корпусов.
В цифровомсинтезаторе частотно – модулированных сигналов используются микросхемы соштыревыми выводами. Микросхемы с такими выводами располагают только с однойстороны печатной платы. Это объясняется тем, что монтаж штыревых выводов, какправило, производят в сквозные металлизированные отверстия, причем концывыводов выступают на обратной стороне платы.
Корпусамикросхем на плате удерживаются припаянными выводами. Штыревые выводыудерживают корпус микросхемы достаточно прочно и выдерживают практически любыемеханические воздействия.
Установку микросхем в корпусах со штыревымивыводами на печатную плату производят с зазором или с прокладкой. Величинузазора рекомендуется выбирать в пределах 1-2 мм. В технически обоснованныхслучаях можно применять изоляционные прокладки, предварительно приклеивая их кповерхности.
3.4 Разработка, выбори обоснование конструктивных составляющих синтезатора
В соответствии с техническимзаданием на дипломное проектирование цифровой синтезатор частотно –модулированных сигналов представляет собой плату помещенную в корпус. Этотприбор должен позволять формировать л.ч.м. – сигналы и работать в составел.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителя передатчика.
Применение печатных плат, позволяетулучшить следующие параметры:
1) надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;
2) технологичность, за счет автоматизации некоторыхпроцессов сборки и монтажа;
3) плотность размещения элементов за счет уменьшениягабаритов и массы;
4) быстродействие;
5) помехозащищенность элементов и схем.
Печатные платы (ПП) предназначены дляэлектрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случаепредставляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимыеотверстия и проводящий рисунок, который может быть выполненкак на поверхности,так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).
В качестве материалов оснований печатныхплат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами,пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т.д.). Проводящийрисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков(субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом игальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной итолстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).
В зависимости от жесткости материалаоснования различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен рядзначений толщины оснований печатных плат: гибких (0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких(0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 мм). По конструктивному исполнению ПП классифицируютсяна односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП).По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированнымиотверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т.д.
При разработке печатных плат конструкторунеобходимо решить следующие задачи:
первая:
конструктивные: размещение элементов напечатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатныхпроводников, минимизация количества слоев;
вторая:
схемотехнические (радиотехнические):расчет паразитных наводок, параметров линий связи;
третья:
теплотехнические: температурный режимпечатной платы, теплоотвод;
четвертая:
технологические: выбор методаизготовления, защита;
Все эти задачи взаимосвязаны. Так, отвыбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрическиехарактеристики; от расположения печатных проводников — степень влияния их другна друга.
В настоящее время известно более 40различных технологических методов изготовления печатных плат. Методизготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновкеаппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат,требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.
Комбинированный метод.
Комбинированный метод изготовленияпечатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика споследующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяетполучать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 — 0,3мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельнымоперациям.
Конструирование печатных платосуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами.Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных,размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатныхпроводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокуюпроизводительность при конструировании и разработке конструкторской документации.
Особое значение при конструированиипечатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется донесколькихдесятков. Однимииз основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ23752-79.ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП(размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий), позиционныедопуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, кэлектрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости приклиматических и механических воздействиях.
Печатные платы должны сохранятьконструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм приклиматических, механических, радиационных и других внешних и внутреннихвоздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований техническогозадания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронногомодуля, печатного узла), выясняют те из них, которые могут определитьконструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условияэксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования поремонтопригодности, технологичности, стоимости.
При выборе типа печатной платы (ОПП, ДППили МПП) обычно учитываются следующие факторы:
- возможностьвыполнения всех коммутационных соединений;
- возможностьавтоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;
— технико-экономические показатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС,такие как, стоимость, габариты.
Возможность выполнения всех коммутационныхсоединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочнойспособности и количества слоев ПП. При выборе типа ПП следует учитывать, чтодвусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационныевозможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышеннойремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационныеспособности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокойстоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.
Исходя из выше изложенного, а такжеанализируя схему электрическую принципиальную, можно заключить, что платадолжна быть двухслойной. Это объясняется тем, что размеры платы не ограничены,число связей между элементами не очень большое. Так как в качестве навесныхэлементов используются интегральные схемы в корпусах с большим числом близкорасположенных выводов, контактные площадки на печатной плате сближаются настолько, что между ними не возможно проложить необходимое число проводников.Исходя из особенностей технологического процесса изготовления печатных плат,можно провести всего лишь один проводник между выводами микросхем. Плата будетсостоять из двух слоев. В каждом слое печатной платы группы проводниковвыполняют определенные функции: цепи питания, земли, сигнальные цепи. Введем вконструкцию платы на один слой питания и на второй слой земли. Это позволяетразвязывать цепи питания по переменному току, а слой земли служит экраном отэлектромагнитных помех.
После выбора типа печатной платыприступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23751-86устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатныеплаты 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации иимеют минимальную стоимость; 3 класса — требуют использования высококачественныхматериалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунокна основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированныхдиэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуютспециальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особыхусловий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигаетсяздесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом игальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной итолстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы). Класс точностиопределяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивныхэлементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двухсоседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояскаметаллизации контактной площадки и другие. Естественно, что выбор определенногокласса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшемподтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований кэлектрическим параметрам и надежности платы, а также изконструктивно-технологических и других соображений.
Толщину основания печатной платы Hп,в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную платуи технологическими возможностями металлизации отверстий. Толщина печатной платытакже зависит от конструктивных особенностей, а именно конструктивнымиособенностями разъема в который будет вставляться плата. Зазор между прижимнымипружинами в разъеме составляет 1 мм, следовательно для надежного крепления Hпвыберем равной 1,5 мм.
Выбор материала основания производят сучетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП врезультате воздействия климатических факторов, механических нагрузок,агрессивных химических средств. В некоторых случаях в качестве материаловоснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика,металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы [7]. Так какпечатная плата двухслойная, то в качестве материала платы выберемстеклотекстолит СФ2 – 35 – 1,5.
С целью обеспечения стабильностипараметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяютконструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычноявляются следующие: сплав Розе (1.5-3 мкм), сплав О-С (9-15 мкм),серебро-сурьма (6-12 мкм), палладий (1-5 мкм), никель (3-6 мкм), медь (25-30мкм) и другие. В нашем случае мы выбрали сплав Розе.
Для защиты печатных проводников иповерхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защитыэлементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможноприменение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и другихсмол, лаков, эмалей, сухих пленочных резистор [7].
3.5 Выбор и обоснование методов монтажа
Расчет элементов печатного рисунка обычновключает две основные стадии: конструкторско-технологический расчет параметровэлементов и расчет электрических параметров. Наравне с электрическимипараметрами 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, диаметр отверстийна плате до и после металлизации.
При расчете элементов печатного монтажаследует учитывать технологические особенности производства, допуски навсевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа,установочных характеристик корпусов ИМС, требования по организации связей,вытекающие из схемы электронного функционального узла, а также перспективностивыбранной технологии.
Исходные данные дляконструкторско-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,зависящих от уровня технологии, материалов и оборудования; установочныехарактеристики навесных элементов.
Расстояние между центрами двух соседнихотверстий на плате (контактных площадок) L условно делят на зоны:
а) контактной площадки;
б) печатного проводника;
в) зазора (между контактными площадками, печатными проводниками иконтактными площадками и проводниками);
Понятие «зона печатного элемента» включаетне только номинальное значение их размеров и координат, но и допуски наотклонение этих размеров от номинальных значений:
L= D+ n×T+ (n+ 1) ×Sk×A (3.5.1)
где D — ширина зоны контактнойплощадки;
T — ширина одного печатного проводника;
n — число проводников между двумя соседними контактными площадками;
S — ширина зазора между соседними печатными элементами;
A = 2,5 — шаг основной координатной сетки;
k -коэффициент шага основной координатной сетки.
С учетом допусков на размеры печатных элементов:
L = Dк+ 2×dт+ n×(Тп+2×dт)+(n+1)×Smin ×A (3.5.2)
где Dк — максимальныйдиаметр контактной площадки;
Tn — максимальная ширина печатного проводника;
dm — величина максимального отклонения оси печатного проводника
(или центра контактной площадки) отноминального положения,
определяемая точностью изготовленияфотооригинала и размер-
ной стабильностью фотошаблона;
S min — предельная величина зазора, при которой ещегарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга (Smin=0.15мм).
Диаметр контактной площадки не может бытьменьше величины, обеспечивающей гарантированную ширину металла вокругпросверленного отверстия. С учетом возможного смещения центра отверстия относительноцентра контактной площадки:
Dк = Dс + 2Bmi (3.5.3)
где Dс — диаметр зоны сверления с учетомдопусков на смещение центра
отверстия;
Вmin — минимальная ширина гарантированного пояска,принимаемая для
всех типов плат равной 0,1...0,15 мм.
Величина зоны сверления Dс складывается из диаметраотверстия и допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (вслучае ДПП), а также точность фотошаблонов:
Dс= do+2(dт+dс+do ) (3.5.4)
где do — диаметротверстия до металлизации;
dс — величина смещения фотошаблонов ДПП. Для всех типов плат со-
временная технология гарантирует не хуже dс =0,05 мм,
do — величина отклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностьюоборудования и составляет при ручном сверлении
+0,2 мм, автоматизированном +0,05 мм.
Подставляя (3.6.4) в (3.6.3) имеем:
Dк=do+2Вmin+2(dт+dс+do ) (3.5.5)
Выводы ИМС и других навесныхрадиоэлементов вставляют в металлизированные отверстия печатной платы. Дляэтого необходимо, чтобы диаметр отверстия после металлизации был равен:
dm=dв+2dу (3.5.6)
где dв — эквивалентныйдиаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов,
контактов разъема;
dу — величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия
и их распайку (dу= 0.07-0.15 мм ).
С учетом толщины слоя металлизации стенокотверстий:
do=dm+2dм (3.5.7)
где dм — толщина слоя металла на стенкахотверстия (dм= 0.05 — 0.07 мм ).
Подставим выражения(3.6.5), (3.6.6), (3.6.7) в (3.6.2), получим:
L=dв+n×Тп+(n+1)×Smin+2Bmin+2[dу+dм+do+dс+(n+2)×dт] k×A(4.5.8)
Анализ выражения даетследующее:
1. Выражение (3.5.8) можно использоватьне только для определения расстояния между отверстиями L, но и длярасчетов, например для оценки ширины Tп, числа печатныхпроводников — n, которые можно проложить между двумя соседними выводамиИМС, шага трассировки печатных плат, определяемого выражением:
tтр=Tп+2dт+S (3.5.9)
2. Уравнение(3.5.8) позволяет также судить о влиянии каждого его члена на конструктивныепараметры печатной платы. Поскольку допуски и предельные значения некоторыхпараметров зависят в первую очередь от уровня технологии, качества материалов итехнологического оборудования, то выражение (3.5.8) позволяет формулироватьтребования к технологии, оборудованию и материалам.
3. Выражение (3.5.8) подтверждаетвозможность создание технологических запасов величин Tп, Sminи Вmin. Источником этих запасов является разность k×A-L запасовмежду расчетными параметрами печатной платы, которая позволяет снизить брак приизготовлении печатных плат, повысить надежность и снизить требования ктехнологии. Величины, входящие в выражения (3.5.8) зависят от уровня технологиии культуры производства, состояния и параметров технологического оборудования.Эти параметры зависят от технологического уровня производства.
На практике в современных печатных платахприменяют для ДПП шаг трассировки равный 1.25 мм. Размеры отверстий под выводыИМС, навесных радиоэлементов, разъемов, а также переходных отверстий, какправило, одинаковы. Если принять, что максимальный диаметр вывода любогорадиоэлемента dв=0.6 мм, то размеры отверстий до металлизацииdo=0.8 мм, после металлизации dm=0.7+0.1мм. При этом минимальные размеры контактных площадок для ДПП Dк=1.2мм. исходя из этого между двумя контактными площадками можно провести не болееодного проводника, что обеспечит зазор между проводниками и контактными площадками0,5 мм.
Конструкторско-технологический расчет ППможет производиться с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов,фотошаблонов, базирования, сверления и т.п., причем должны выдерживатьсяграничные значения основных параметров печатного монтажа для выбранного классаточности. На основе конструкторско-технологического расчета определяются:номинальные диаметры переходного и монтажного отверстий; диаметр контактнойплощадки; ширина проводников; расстояние между проводником и монтажнымотверстием. Номинальные значения диаметра монтажного отверстия определяются поформуле:
d= dэ+½Ddн.о½, (3.5.10)
где dэ — максимальноезначение диметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату;
r — разность между минимальным значением диаметра отверстия и
максимальным значением диаметра(минимальный диаметр отвер-
стия лимитируется толщиной платы приусловии качественной
металлизации отверстия);
Ddн.о — нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.Диаметры монтажных отверстий выбирают так, чтобы разность между минимальнымзначением диаметра отверстия была в пределах 0.1-0.5 мм (при автоматизированнойустановке ИЭТ — 0.4-0.5мм). Выбор значений диаметров осуществляется из ряда вдиапазоне 0.4-3 мм с шагом 0.1 мм (ГОСТ 10317-79).
Номинальное значение ширины проводника tрассчитывается по формуле:
t = tм.д+½Dtно½, (3.5.11)
где tм.д — минимально допустимая ширина проводника,рассчитывают в
зависимости от токовой нагрузки (см. далее);
Расстояние между соседними элементамипроводящего рисунка устанавливают в зависимости от электрических и конструкторско-технологическихтребований. Минимально допустимое расстояние между соседними элементамипроводящего рисунка Sм.д выбирается из расчета обеспечения электрическойпрочности изоляции, а наименьшее номинальное расстояние определяют по формуле:
S= Sм.д+ Dtво, (3.5.12)
Расчет минимального расстояния дляпрокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями сконтактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле:
l=(D1+D2)/2+t×n+S×(n+1)+Tl, (3.5.13)
где n — количествопроводников;
Tl — позиционный допуск расположенияпечатного проводника
(Tl=0.1мм).
Разработка печатной платы устройства с использованиемСАПР
Система PCAD 8.5позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементовпринципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальнойэлектрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную иавтоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины;автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальнойэлектрической схеме.
Программный комплекс PCADвключает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозногопроектирования ПП электронной аппаратуры. В ее состав входят следующие программы[7]:
Schematic Editor – графический ввод и редактированиепринципиальной электрической схемы;
Symbol Editor – графический ввод и редактированиесимволов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;
PCB Editor – графический ввод и редактированиеконструктивов ПП, автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;
Part Editor – графический ввод и редактированиекорпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок.
Графический редакторпринципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: SchematicEditor и Symbol Editor. После загрузки графического редактора экрандисплея форматируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд,предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна ивнизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенныесправа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбораосновной команды.
В схемном графическомредакторе полная информация о чертеже заносится в 18слоев, устанавливаемых поумолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не всяимеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слояхвыводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могутбыть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний:OFF – слой невидим и недоступен, ON – слой видим но недоступен, ABL – слойвидим и может стать активным.
Также отличительнойособенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двухчастей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевоеслово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибутапредставляет собой последовательность чисел или текстовых переменных,разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенствастановятся невидимыми на экране.
При использованииатрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можноиспользовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическоеприсвоение имени цепи и др [7].
Для дискретныхкомпонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имядискретного компонента не слое DEVICE не наносится. Номера выводов по командеEnter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.
Для резисторовдополнительно следует указать атрибут RVALUE=. Он необходим длядиагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем с открытымколлектором.
Для дискретныхкомпонентов целесообразно создавать два УГО: для вертикального игоризонтального расположения на схеме.
Основным инструментом приавтоматической трассировке ПП в пакете PCAD является файл стратегии. Поэтому опишем некоторые егоосновные установки для объяснения нашего способа разводки.
После выбора пункта Routing Parameters в основном меню программы Autorouter на экране появится меню, в которомможно устанавливать параметры.
Приведем основные из них:
— первоначальноустанавливаем метрическую систему измерения, т.к. все наши элементы рисовалисьв ней;
— устанавливаем основнуюкоординатную сетку шагом 1,25 мм, что соответствует технологическимтребованиям;
— устанавливаемколичество слоев для трассировки — четыре;
— устанавливаем типтрассировки – наиболее целесообразным является тип Steiner, которая позволяет выполнять Т-образные соединения идругие соединения, которые минимизируют расстояния между точками;
— устанавливаем порядоктрассировки – по рекомендациям авторов ставим порядок Short-Long,т.е. сначала будут трассироваться короткие цепи, а затем – длинные. Это даетменьшее количество не разведенных цепей;
— на первоначальном этапепроизведем отключение диагональной трассировки, т.к. она может датьнесоблюдение допустимых зазоров, однако после первого этапа трассировкиокажется, что зазоры соблюдаются, то можно установить Diagonal Routing и повторить трассировку, что, возможно, даст улучшение;
— проведем включениережима минимизации количества переходных отверстий, сделав установку Via minimization;
— установим режимсглаживания углов PerformBeveling. В этом случае будет производитьсязамена прямоугольных изгибов проводников, где это возможно на изгибы под углом45°. Установим здесь параметр During+After, т.к. оннаиболее эффективный;
— установим параметр Jog Elimination которыйосуществляет ликвидацию выступов печатных проводников. Процедура заключается втом, что: 1. Ликвидируются выступы, остающиеся после перемещения переходныхотверстий; 2. Два или более сегмента проводника заменяются по возможности однимсегментом.
На этом заканчиваетсяустановка основных параметров трассировки, и переходим к установкедополнительных параметров.
Войдя в режим Detailed Routing Parameters, у нас есть возможность произвестиследующие установки:
— установим типпереходных отверстий (Via Type) Through который позволит создавать сквозныепереходные отверстия;
— далее необходимоустановить параметр Via Sites который определяет размещениепереходных отверстий. Произведем установку All Grid Points, что предоставит возможность располагать переходныеотверстия во всех точках координатной сетки;
— разрешим размещениепереходных отверстий на всей плате, произведя установку в пункте Via Lattice Region параметра Entire Board;
— установим размерыобласти поиска пути для трассы в пункте Route Search Area Size. Следуя указаниям авторов, установим в этом пунктезначение 3;
— определим числоосновных проходов алгоритма “лабиринт”– Number of Maze Router Passes. В связи с тем, что уже на третьем проходе размеробласти поиска увеличен в 4 раза, то установим количество проходов равное 3;
— произведем открытиевсей площади платы для трассировки, на последнем проходе установив параметр Full Board;
— согласнотехнологическим требованиям и, исходя из коэффициента заполнения, установимминимальное расстояние трасс от края платы равное 0,5;
— в следующем окнеустановим только параметр Even Distribution,который позволит равномерно распределять проводники на всех парах слоев. Приотсутствии этой установки, будет поставлено значительно больше переходныхотверстий, и проводники будут располагаться неравномерно.
Перейдем к установкепараметров алгоритма Rip-Up. Этот параметр позволяет управлятьнаиболее мощным средством программы.
Произведем установкуследующих пунктов:
— установим количествопроходов каждого алгоритма трассировки. Пункт Normal трогать не будем, т.к. там уже находится значениеустановленное ранее. В пункте Rip-Up установим количество проходов равное10. В пункте Optimize установим количество попытокпереразвести связи равное 10;
— включим режимуплотнения трасс Trace Hugging, что дает нам уплотнение трасс иэкономию пространства на ПП;
— отключим режим Penalize Corners уменьшающий количество изгибов проводника, т.к. онвступает в противоречие с предыдущим режимом.
Остальные установкиоставим без изменений.
Произведем определениеконтактных площадок. Этим пунктом мы зададим размет и форму контактныхплощадок.
В соответствии срассчитанными ранее параметрами площадок под контакты и переходные отверстияпроизведем установки. Так же надо установить отключение проводимости вовнутреннем слое и установить расположение контактных площадок в узлахкоординатной сетки.
Определим правилапрокладки проводников.
В этом пункте алгоритмавоспользуемся ранее рассчитанными параметрами проводников и внесли их в данныйпункт.
Определим классы цепей.
Этот раздел позволяетзадать определенные цепи, которые будут разводиться особым способом.
Здесь осуществляется вводпараметров цепей питания и земли. Установим для этих цепей высокий приоритет.
Произведем описаниеслоев.
В этом пункте можнозадать количество трассируемых слоев отличных от общего количества слоев ПП,задать предпочтительное направление трассировки для каждого из трассируемыхслоев.
Далее проведем заполнениетаблицы слоев, в которой каждому слою укажем направление разводки.
Перейдем к конструкторуконтактных площадок. В данном пункте произведем только установку имен файловвходной базы данных ПП, входной файл стратегии трассировки и имя проекта. Отвнесения изменений можно отказаться, нажав Exit.
Таким образом, мы провеликонфигурирование файла стратегии. Оттрассировав плату по данной стратегии, мыполучим плату соответствующую нашим расчетным данным.
После того, как мыразвели плату, необходимо оформить ее как чертеж в соответствии с требованиями[6]. Система PCAD не позволяет полностью провестиоформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог прочитать чертежи слоев ипечатной платы преобразуем файлы с расширением “.pcb” в файлы формата “.dxf”. сделать это можно воспользовавшись функцией PCAD.
После создания базыданных принципиальной электрической схемы целесообразно с помощью программы Electrical Rules Check (PC-Erc) выявить синтаксические ошибки, исправитьих и затем приступить к моделированию или разработке ПП.
Выходным файлом программыPC-Erc служит файл списка электрических связей (.nlt) или (.xnl). Результаты проверки заносятся в текстовый файл срасширением .erc. Программа вызывается в разделе Schematic Tools.
В появившемся менюнеобходимо установить контроль всех параметров на наличие ошибок.
В выходном файлеприводится список количества ошибок каждого вида и их подробное описание:
Floating Pins – неподключенные связи. Это связано с тем, что вкомпонентах задействованы не все выводы;
Nets With One or No Connections – это связано с тем, что припроверке не учитывались атрибуты компонентов (PWGD);
Nets With No input/output Pins – цепикоторые не соединены с входами/выходами. Связано с наличием в схеме аналоговыхэлементов;
Nets With No Pull-Up Resistor – цепи подключенные к “открытомуколлектору”;
ComponentsWith All Input Pins Tied to Gather – компоненты у которыхсоединяются входы
После проведениятрассировки ПП целесообразно провести сравнение двух списков электрическихсвязей с целью выявления в них различий с помощью программы Netlist Comparison. Среди предложенных способовпроверки, целесообразнее выбрать сравнение списка связей, один из которыхизвлечен из файла .sch, а другой – изфайла .pcb [6].
Выходной файл содержитследующую информацию:
Number of Gates (Parts)– общее количество компонентов в каждом списке;
Number of Nets — общее количество цепей в каждом списке;
Number of Suspect Nets – общее количество цепей каждого списка, которые несогласуются с цепями другого списка;
Number of Spare (Parts)– общее количество компонентов которые не соединяются ни с одной цепью в каждомсписке;
Number of Floating Nets – общее количество цепей которые не соединяются ни содним компонентом в каждом списке.
После этого приводитсяполная информация о сравниваемых списках.
Теперь осуществимпроверку платы на соответствие ее требуемому классу точности [6].
Утилита Design Rules Check (PC-DRC) проверяет разведенную базу данныхПП и выявляет не разведенные проводники, нарушение технологических требований кпроектированию ПП.
Программа PC-DRC вводит в базу данных ПП новые слои $CONT, $DRC и $ATT, на которых отмечаются ошибки.
После загрузки утилиты,для редактирования технологических ограничений, на панели Rule Name выбирается имя правила проверки из списка. Длясоздания нового правила следует выбрать команду ADD, ввести имя правила и затем задать минимальныеразмеры и зазоры для компонентов.
После выполнения утилитасоздает файл с расширением .drc, вкотором будет отчет по каждому из проверяемых слоев. Плата подходит потехнологическим требованиям, если в процессе проверки не было найдено ни однойошибки.
3.6 Защита конструкциисинтезатора от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов
Защита конструкциипроектируемого устройства от внешней среды
В процессе эксплуатацииЭВА под влиянием внешней среды происходит разрушение металлов и сплавов. Этоявление называется коррозией. Оно заключается в окислении металла и превращенииего в соответствующее химическое соединение.
Для защиты металловконструкции от коррозии, получения требуемой декоративной отделки или приданияповерхностному слою необходимых свойств применяются различные виды покрытий[12].
Покрытия подразделяютсяпо назначению на три группы:
n Защитные
n защитно-декоративные
n специальные
Защитные покрытияпредназначаются для защиты основного материала деталей от коррозии и другихпроцессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.
Защитно-декоративныепокрытия используются для защиты от вредного влияния окружающей среды деталей,требующих красивой внешней отделки.
Специальные покрытияпридают поверхности деталей особые свойства или защищают основной материал деталейот влияния особых сред.
В зависимости от способаполучения покрытия и материала различают металлические и неметаллические покрытия.
К металлическим относятсяследующие покрытия: гальванические, нанесенные горячим способом, диффузионные иметаллические на диэлектриках.
К неметаллическимотносятся покрытия эмалями, лаками, грунтовками. К ним же можно отнести ипротивокоррозионные покрытия пластмассами.
Покрытия выбираются взависимости от функционального назначения деталей, материала, способаизготовления и условий дальнейшей эксплуатации.
Специальные покрытияобладают следующими свойствами: улучшение светопоглащающей или отражательнойспособности поверхности, улучшение электропроводности, а также многими другими.
Гальванические покрытияпредставляют собой пленки, осаждаемые на металле при выделении из растворовсолей металлов под действием электрического тока. Вследствие этого, детальпокрывается чистыми металлами и сплавами.
Химическое покрытиепредставляет пленку определенного химического состава, которая образуется наповерхности металла в результате действия на него химических реагентов.Наибольшее распространение получили окисные и фосфатные пленки.
Лакокрасочные покрытияоснованы на образовании пленки из органического вещества и пигмента,определяющего цвет покрытия. Эти покрытия, нанесенные на поверхность металла ввиде одного или нескольких слоев эмали или лака, после высыхания образуютзащитно-декоративные непрерывные пленки. Выбор лакокрасочного покрытияопределяется условиями эксплуатации, материалом покрываемого изделия, качествоми цветом его поверхности, требуемой точности покрытия, допустимой температуройсушки изделия.
Исходя из вышеуказанныхтребований и разновидности покрытия можно сделать вывод о том, что для нашегоустройства, в качестве защитного покрытия можно выбрать лакокрасочное покрытиелаком УР-231 ГОСТ 9754-76. Оно применяется для деталей, эксплуатируемых наоткрытом воздухе умеренного климата, а также в промышленной атмосфере.
Проблема обеспеченияэлектрической прочности ЭВА, особенно актуальна для элементов в интегральномисполнении и печатных плат, где зазоры между токоведущими дорожками малы инапряженность электрического поля может достигать больших значений принебольших напряжениях. Кроме того, пробивное напряжение снижается при повышениитемпературы диэлектрика, при сорбции влаги пылью и полимерными материалами.
Явление образования, поддействием электрического поля проводящего канала в диэлектрике, называетсяэлектрическим пробоем. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему, возможенпробой по поверхности в окружающей среде. напряжение такого пробоя зависит отприроды окружающей диэлектрик Среды, содержания влаги, формы проводников,наличия загрязнения на поверхности диэлектрика и наличия веществ, способныхпоглощать влагу (например, разнообразные пыли). Для повышения пробивногонапряжения платы покрывают лаком, исключают острые углы при трассировкепечатных проводников, производят сушку плат перед нанесением лака, следят засодержанием пыли и влаги в газовой среде технологических помещений, увеличиваютпробивной промежуток благодаря установке дополнительных ребер (высоковольтныхизоляторов).
Обеспечение электрическойпрочности тесно связано с проблемой влагозащиты. На выбор способа влагозащитыбольшое влияние оказывает объем производства.
Расчет конструкции навиброзащищенность
Для того чтобы проверитьнасколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий,необходимо провести расчет собственной частоты вибраций платы. В данном случаеплата является единственной колебательной системой. Жесткость платы зависит отматериала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.
Печатная плата имеетпрямоугольную форму следующих размеров:
axbxh=280 мм x 150 мм x 1.5мм
При расчете собственнойчастоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:
плата представляется ввиде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;
ЭРЭ на платерасполагаются равномерно на ее поверхности;
плата с элементамипринимается за тонкую пластину, так как b/h
материал платыоднородный, идеально упругий, изотропный;
возникающие изгибныедеформации малы по сравнению с толщиной платы;
при изгибе платынейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).
Для пластин с четырьмяточками крепления частота собственных колебаний платы, определяется по формуле:
/>, (6.2.1)
где a = 0,28 м.длинна платы;
b = 0,15 м. ширина платы;
/>цилиндрическая жесткость платы, />;
/>;
/> распределенная по площади массаплаты и элементов, />.
Цилиндрическая жесткостьплаты определяется по формуле:
/> (6.2.2)
где /> — модуль упругости материала платы;
/> - толщина платы;
/> — коэффициент Пуассона.
/> (6.2.3)
Распределенная по площадимасса платы и элементов определяется из выражения:
/>, (6.2.4)
где /> — удельная плотностьматериала платы;
/> — масса элементов, установленных наплате, />.
/>, (6.2.5)
где /> — масса i — го элемента, установленного наплате, />;
n = 40 — количество элементов, установленныхна плате.
Воспользовавшисьсправочными данными получим mэ = 104,2´10 –3 кг. следовательно,
/>
Подставляя найденныевеличины в формулу (6.2.1), определим минимальную частоту собственных колебанийплаты. Она будет минимальной при />, />.
/>
В результате механическихвоздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенностипри возникновении механического резонанса.
Чаще всего усталостныеотказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений,нарушения контактов в разъемах.
Подобные разрушения можнопредотвратить, если обеспечить выполнение условия:
/> (6.2.6)
где /> — минимальная частота собственныхколебаний платы;
/> — ускорение свободного падения, g = 9,8м/c2;
/> — безразмерная постоянная, выбираемаяв зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.
/> — максимальные вибрационныеперегрузки, выраженные в единицах g./>
Следовательно,
¦min 85Гц
Значит, проектируемаяплата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.
Определим эффективностьвиброзащиты по формуле:
/> , (6.2.7)
где /> — верхняя частота диапазонавоздействующих частот, Гц;
/> — резонансная колебаний печатнойплаты, Гц.
Подставив значения,получим:
/>.
Таким образом, можносказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных.
3.7 Описание уточненного окончательного варианта компоновки и конструкциисинтезатора
Компоновка блока — размещение на плоскости и в пространстве различныхкомпонентов (радиодеталей, микросхем, блоков, приборов) ЭВА — одна из важнейшихзадач при конструировании, поэтому очень важно выполнить рациональнуюкомпоновку элементов на самых ранних стадиях разработки ЭВА.
Основная задача, решаемая при компоновке ЭВА — это правильный выбор форм,основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса ирасположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектроннойаппаратуры. На практике задача компоновки ЭВА чаще всего решается при использованииготовых элементов 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 и компоновочный эскиз функционального узла,можно еще до разработки рабочих чертежей и изготовления лабораторного макетаоценить возможный характер и величину паразитных связей, рассчитать тепловыережимы узла и его элементов, выполнить расчет надежности с учетом не толькорежимов работы схемы (электрические коэффициенты перегрузки), но и с учетом рабочихтемператур элементов. Методы компоновки элементов ЭВА можно разбить надве группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные(аналитические) и номографические, основой которых является представлениегеометрических параметров и операций с ними в виде чисел.
Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурныеметоды, основой которых является та или иная физическая модель элемента,например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрическоймодели. Основой для всех является рассмотрение общих аналитическихзависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем с численными значениямиразличных компоновочных характеристик: геометрическими размерами элементов, ихобъемами, весом, энергопотреблением и т.п. Зная соответствующие компоновочныехарактеристики элементов изделия и законы их суммирования, можно вычислитькомпоновочные характеристики всего изделия и его частей. Элементы, которыесодержит разрабатываемый печатный узел, приведены в таблице 3.9.
Таблица 3.9 — Перечень элементов и их площади и массы.Наименование элемента
/>, шт.
/>, мм2
/>, мм2
/> гр. 1 2 3 4 5 Резисторы МЛТ 5 14 70 8 Конденсатор К53-1А 5 16 80 15 DIP14 7 146,25 1023,75 20 DIP16 7 152 1064 22 DIP24 7 442,5 3097,5 30 DIP40 5 680,5 3402,5 54 DIP64 1 978,25 978,25 72 Разъем (40 конт.) 1 150 150 50 Разъем (20 конт.) 3 75 225 25
Общая площадь, занимаемаякомпонентами с учетом припусков вокруг каждого элемента, обусловленных ширинойконтактных площадок, равна – 13400 мм2. С учетом коэффициентазаполнения площадь платы равна: 26800 мм2. При проектированиипечатного узла одним из наиболее важных критериев оптимизации являетсяправильная компоновка, т.е. максимальное использование площади печатной платыпри минимально возможных ее размерах.
Исходя из этого, выбираем площадь платы равную 280х150мм.
4 РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИНТЕЗАТОРА
Типовая структуратехнологического процесса изготовления модуля включает следующие операции:входной контроль элементов и печатных плат, подготовка к монтажу, установкакомплектующих элементов на плату, нанесение флюса и его сушка, пайка, очисткаот остатков флюса, контрольно — регулировочные работы, технологическаятренировка, маркировка, герметизация и приемо-сдаточные испытания. Сборкаосуществляется согласно ГОСТ 23887-79.
Входной контроль — этотехнологический процесс проверки поступающих на завод ЭРЭ, ИМС и ПП попараметрам, определяющим их работоспособность и надежность перед включениемэтих элементов в производство. Входной контроль комплектующих элементов можетбыть как 100 % так и выборочным.
Подготовка ЭРЭ и ИМСвключает распаковку элементов, выпрямление, зачистку, формовку, обрезку илужение выводов, размещение элементов в технологической таре. Для проведенияподготовительных операций разработано много типов технологического оборудованияи оснастки. В условиях мелкосерийного производства подготовка осуществляется пооперационнос ручной подачей элементов.
Установка элементов напечатные платы в зависимости от характера производства может выполнятьсявручную, механизированным и автоматизированными способами.
Нанесение флюса на платуможет осуществляться различными способами (кистью, погружением, потягиванием,распылением, вращающимися щетками, пенное и волной). Нанесенный слой флюсаперед пайкой просушивается при температуре 353…375 К, а плата подогревается.
Групповая пайка элементовсо штыревыми выводами производится волной припоя на автоматизированныхустановках модульного типа.
Процесс групповой пайкиначинаются с подготовки поверхности ПП, которая заключается в зачистке местпайки и обезжиривании. Зачистку выполняют эластичными кругами с абразивнымпорошком или металлическими щетками. Затем поверхность платы обезжиривают врастворе спирта с бензином и обдувают воздухом. Защита участков платы неподлежащих пайке, осуществляется маской из бумажной ленты, пропитанной костнымклеем. Маску приклеивают к плате так, чтобы места пайки не выходили за пределыотверстий в маске. Вместо бумажной маски можно применять слой краски, наносимойчерез сетчатый трафарет. Краска должна противостоять непосредственномувоздействию расплавленного припоя, температура которого доходит до 260 ° С.
Следующим этапом являетсянанесение флюса и подогрев платы, который удаляет влагу и уменьшает термическийудар в момент погружения платы в расплавленный припой.
Пайка волной представляетсобой процесс, при котором нагрев спаиваемых материалов, помещенных над ванной,и подача припоя к месту соединения осуществляется стоячей волной припоявозбуждаемой в ванне. При пайке волной припоя устраняется возможность быстрогоокисления припоя и температурных деформаций платы.
Заключительной операциейгрупповой пайки является удаление маски. Для этого ПП погружают на 0.8 … 0.9 еетолщины в ванну с горячей водой ( t=40 ° С) и выдерживают до тех пор, пока она не отклеится (2…3 мин). Затемплату обдувают горячим воздухом до полного высыхания.
Удаление остатковводорастворимых флюсов осуществляется путем промывки плат в проточной горячейводе с использованием мягких щеток или кистей. Следы канифольных флюсов удаляютпромывкой в течении 0.5 … 1 мин, в таких растворителях, как спирт, смесьбензина и спирта (1:1), трихлорэтилен и др.
Выходной контроль можноусловно разделить на три последовательных этапа:
первый:
визуальный контрольправильности сборки и качества паяных соединений;
второй:
контроль правильностимонтажа и поиск неисправностей;
третий:
функциональный контроль.
Ориентировочныйтехнологический процесс сборки модуля приведен в таб. 4.1.
Таблица 4.1. – Tехнологический процесс сборки модуля
№
операции
Наименование и содержание.
Оборудование и приспособления.
1. Входной контроль микросхем и ПП.
Лупа 10X, стенд.
2. Защита маркировки. Вытяжной шкаф, ванна.
3. Формовка и обрезка выводов. Приспособление.
4. Лужение выводов. Флюсовать выводы погружением во флюс ФСКП. Лудить выводы припоем ПОС-61. Ванна.
5. Подготовка ПП к сборке. Лудить контактные площадки. Ванна для обезжиривания.
6. Установка элементов на ПП. Верстак, стойки технологические.
7. Пайка выводов элементов к ПП.
8. Контроль электрических параметров. Настройка. Стенд, комплект измерительных приборов.
9. Влагозащита. Покрытие лаком УР-23Т или Э-4100.
10. Контроль электрических параметров.
4.1 Разработкатехнологической схемы сборки
Так как в ТЗзадано разработать технологическую схему сборки, то будет правильным уделить ейвнимание и в записке.
Технологическим процессомсборки называют совокупность операций, в результате которых детали соединяютсяв сборочные единицы, блоки, стойки, системы и изделия. Простейшимсборочно-монтажным элементом является деталь, которая согласно ГОСТ 2101-68характеризуется отсутствием разъёмных и неразъёмных соединений.
Проектированиетехнологических процессов осуществляется для изделий конструкция которыхотработана на технологичность, и включает в общем случае комплексвзаимосвязанных работ:
— разработкатехнологической схемы общей сборки;
— разработкатехнологической схемы сборки блоков и сборочных единиц;
— анализ типовыхтехнологических процессов и определение последовательности и содержаниятехнологических операций (маршрут сборки);
— выбор технологическогооборудования и оптимального варианта технологического процесса по себестоимостиили производительности;
— выбор или заказ средствтехнологического оснащения;
— назначение и расчётрежимов сборки;
— нормирование операцийтехнологического процесса;
— определение профессий иквалификации исполнителей;
— выбор средствавтоматизации и механизации операций технологического процесса и внутрицеховыхсредств транспортирования;
— организацияпроизводственных участков, составление планировок;
— оформление рабочейдокументации на технологические процессы.
Технологическая схемасборки изделия является одним из основных документов, составляемых приразработке технологического процесса сборки. Расчленение изделия на сборочныеэлементы проводят в соответствии со схемой сборочного состава, при разработкекоторой руководствуются следующими принципами:
— схема составляетсянезависимо от программы выпуска изделия на основе сборочных чертежей,электрической и кинематической схем изделия;
— сборочные единицыобразуются при условии независимости их сборки, транспортировки и контроля;
— минимальное числодеталей, необходимое для образования сборочной единицы первой ступени сборки,должно быть равно двум;
— минимальное числодеталей, присоединяемых к сборочной единице данной группы для образованиясборочного элемента следующей ступени, должно быть равно единице;
— схема сборочногосостава строится при условии образовании наибольшего числа сборочных единиц;
— схема должна обладатьсвойством непрерывности, т.е. каждая последующая ступень сборки не может бытьосуществлена без предыдущей.
Различают две основныхтехнологических схемы сборки: веерного типа и с базовой деталью. Первая из нихпоказывает ступени сборки и из каких деталей они образуются. Достоинством такойсхемы является её простота и наглядность, но она не отражает последовательностисборки.
Более наглядной иотражающей последовательности процесса сборки является схема с базовой деталью.В качестве базовой детали выбираются платы, панели, шасси или другие детали, скоторых начинается сборка. Направление движения деталей и узлов на схемахпоказывается стрелками.
При построениитехнологической схемы сборки каждую деталь изображают прямоугольником, вкотором необходимо указывать номер детали, её наименование, а так же ихколичество, необходимое для сборки.
Допускается изображениекрепёжных деталей кружочками, в которых указывается позиция по сборочномучертежу. Сборочные единицы изображаются в виде прямоугольников с указаниямиступени сборки и номера узла.
На технологических схемахсборки наносятся указания по выполнению сборочных операций. Технологическиеуказания необходимо помещать в прямоугольник, ограниченный штриховой линией, аместо его выполнения указывается наклонной стрелкой.
Базовой деталью являетсяплата. Для определения количества устанавливаемых ЭРЭ и ИМС на плату в ходевыполнения сборочных операций необходим предварительный расчёт ритма сборки:
/>, мин/шт., (4.9)
где /> — действительный фондвремени за плановый период.
/> — программа выпуска.
Для разрабатываемогоустройства плановый период — один месяц. Тогда ритм сборки будет равен:
/>, мин/шт.
С учетом того, чтопроизводство цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов неявляется поточным и ритм сборки равен 122 мин., рациональной границейдифференциации по операциям определяются следующими условиями:
— однородностьювыполняемых работ;
— получением готовойсистемы поверхностей или сборочного элемента;
— рациональнымприменением оборудования, используемого в производстве;
— приоритетом сборкималогабаритных деталей и пассивных электрорадиоэлементов над активными;
С учетом вышеперечисленных требованийсоставляем технологическую схему сборки. Технологическая схема сборки цифровогосинтезатора частотно – модулированных сигналов приведена на чертеже.
5ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
В данном дипломномпроекте спроектирован цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов,который предназначен для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродинаприемника в составе л.ч.м. — ионозонда.
Предполагаемый объёмвыпуска новой продукции устанавливается на основе заказов потребителей,выявленного в процессе изучения, рынка спроса, с учётом возможностей и сроковразвёртывания производства, материально-технического обеспечения ресурсами всехвидов (оборудование, кадры, материалы). Выпуск изделия может носитьмелкосерийный характер. Исходя из этого, предполагаем физический объём выпуска500 штук в год. При эффективном функционировании предприятиявозможно производство объекта на протяжении нескольких лет. В качестверасчётного периода выберем срок 3 года [10].
5.1 Определениесебестоимости товара и рыночной цены проектируемого изделия
Одним из важнейшихпоказателей, характеризующих изделие как объект производства, является егосебестоимость. Она включает сумму затрат на производство и реализациюпродукции.
По способу отнесения затрат на себестоимость продукции они группируютсяна прямые и косвенные. Прямые – это затраты, непосредственно связанные сизготовлением определённой продукции и относимые на её отдельные виды. К прямымстатьям относятся такие затраты как: сырьё и основные материалы (за вычетомотходов); комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты; основная заработнаяплата производственных работников [10].
По способу отнесения затрат на себестоимость продукции они группируютсяна прямые и косвенные. Прямые – это затраты, непосредственно связанные сизготовлением определённой продукции и относимые на её отдельные виды. К прямымстатьям относятся такие затраты как: сырьё и основные материалы (за вычетомотходов); комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты; основная заработнаяплата производственных работников.
Косвенные – это затраты которые не могут быть прямо отнесены насебестоимость продукции и рассчитываются по нормативам, установленным впроцентах либо к основной заработной плате производственных работников, либо кпроизводственной себестоимости продукции [11].
Расчёт себестоимостиединицы проектируемой техники (С) производится по всем статьям затрат всоответствии с «Основными положениями по планированию, учёту,калькулированию себестоимости на промышленных предприятиях».
Расчет будем выполнять постатьям затрат. Для этого необходимо определить затраты на материалы, которыеиспользуются при изготовлении модуля питания. Затраты на материалы, используемыепри изготовлении модуля, рассчитываются по следующей формуле:
/>, руб, (5.1)
где /> – килограмм i-гоматериала;
/> – коэффициент, норма расходаматериала на одно изделие;
/> – цена за единицу, с учётомтранспортно-заготовительных расходов.
Расчет затрат наматериалы, используемые при изготовлении электронного блока весов, приведён втаблице – 5.1.
Таблица 5.1 — Затраты на основные и вспомогательные материалы.Наименование материала Норма расхода на 1 изделие, кг
Цена за
1кг, руб Сумма затрат на 1 изделие, руб Припой ПОС-61 0,08 34850 2788 Канифоль сосновая марка А 0,15 1585 237.75 Спирт этиловый ректифи-кованный, высшей очистки, (л) 0,2 6340 1268 Лак УР–231 0,005 25600 129 Сумма затрат на всё изделие 4422.75 Итого, с учётом транспортно-заготовительных расходов (5%) 4643.89
Величину затрат по статье «Сырье и основные материалы» можно рассчитатьпо формуле:
/>, руб, (5.2)
где: /> – количество i-ыхполуфабрикатов и комплектующих изделий, необходимых для сборки единицыизготавливаемой продукции;
/> – оптовая цена i-го полуфабриката,комплектующего изделия.
/> – коэффициент, учитывающийтранспортно-заготовительные расходы.
Результаты расчёта затратна комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты приведены в таблице – 5.2.
Таблица 5.2 – Расчётзатрат на комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты.№ Наименование комплектующего или полуфабриката
Кол-во,
Шт. Цена за ед., руб. Сумма
Затрат, руб.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Микросхема:
533ТЛ2
533АГ3
533ЛА3
КС573РФ2
533ИК4
КМ1118ПА2А 533ИЕ10
К1518ВЖ1
533ЛП5
1108ПА1А
2
2
2
6
4
1
4
1
3
1
2300
2500
2400
4000
2000
4100
2000
10000
2000
4000
4600
5000
4800
24000
8000
4100
8000
10000
6000
4000 11 Резистор постоянный 9 60 540 12 Конденсатор 4 250 1000 13 Переключатель 2 300 600 14 Плата 1 2000 2000 15 Корпус 1 6000 6000 Итого 88640 Транспортно-заготовительные расходы (5%) 4432 Всего с транспортно-заготовительными расходами 93072
Величина затрат по статье «Основная заработная плата производственныхработников» определяется по формуле [11]:
/>, руб, (5.3)
где: /> – часовая тарифная ставка,соответствующая разряду работы на i-ой операции, руб;
/> – норма времени на выполнение i-ойоперации, мин;
/> – коэффициент премий.
Расчет основнойзаработной платы основных производственных рабочих приведен в таблице – 5.3.
Таблица 5.3 — Расчетосновной заработной платы основных производственных рабочих.Наименование
Норма времени tшт мин/шт Кол-во эл-ов, шт. Раз-ряд работ
Часовая тарифная ставкаТс, руб. Сумма ОЗП, руб Подготовка иустановка резисторов и конденсаторов. 0,08 13 3 187 11.18 Установка ИМС и знакосинтезирующих индикаторов 3 27 4 209 765.85 Пайка волной припоя 0,5 1 3 187 3.94 Очистка плат 0,2 1 3 187 1.58 Сушка плат 1,5 1 3 187 11.8 Контроль плат 1,0 1 4 209 10.89 Продолжение табл. 5.3 1 2 3 4 5 6 Межблочный монтаж 5 1 4 209 54.41 Настройка 10 1 4 209 108.84 Окончательная сборка устройства 8 1 3 187 62.94 Контроль 3,0 1 4 209 32.65 Всего 1064.08 Итого, с учётом премий за выполнение плана (10%) 1170.49 /> /> /> /> /> /> />
Результаты расчетасебестоимости и отпускной цены единицы изделия приведены в таблице – 5.4.
Таблица5.4- Результаты расчета себестоимости и отпускной цены.Статьи затрат Обозна-чение Сумма, руб. Расчётная формула 1. Сырье и материалы за вычетом отходов
/> 4643.89 См. табл. 2.Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты
/> 93072 См. табл. 3.Основная заработная пла- та та производственных рабочих
/> 1170.49 См. табл. 4.Дополнительная заработная плата произ-водственных рабочих
/> 234.1
/>
/> = 20% 5.Отчислениеорганам социальной защиты и в фонд занятости
/> 573.31
/>
/> = 36 % Продолжение табл. 5.4 6. Чрезвычайный чернобыльский налог
/> 56.18
/>
/> = 4% 7.Износ инструментов и приспособленийцелевого назначения
/> 140.45
/>
/> = 12% 8.Общепроизводственные расходы
/> 1404.59
/>
/> = 120% 9.Общехозяйственные расходы
/> 1872.78
/>
/> = 160%
10.Прочие производст-
венные расходы
/> 23.41
/>
/> = 2% Аренда помещений и оборудования
Ра 7200
Ра = А/Nt Производственная себестоимость
/> 76283.42
Спр= Рм+ Рк+ Зо+ Зд+ Рсоц+ Рчн+ Риз+ Робп+ Робх+Рпр+ Ра 11. Коммерческие расходы
/> 2288.5
/>
/> = 3%
Полная себестоимость
/> 78571.92
Сп = Спр + Рком 12. Плановая прибыль на единицу продукции
/> 27500.17
/>
/> = 35%
Оптовая цена продукции
/>. 106072.07
Цопт = Сп + Пед
13. Отчисления в спец фонды ( сельхозналог, отчисления в ведомствен-ный жилой фонд, на содержание детских дошкольных учреждений)
(2,5 % от />)
/> 2719.81
/>
/> = 2,5%
14. Отчисления на поддер-
жание производителей сельхозпродукции
(1,5 % от ВР)
/> 1656.73
/>
/> = 2 % Продолжение табл. 5.4
Итого
/> 110448.63
Ц = Сп+Пед+Осф+Осх 15. Налог на добавленную стоимость (20 % от Ц*)
/> 22089.726
/>
/> = 20%
Отпуская (свободная) цена
/> 132538.35
Цотп = Сп + Пед + Осф + Осх + НДС
Итак, в результате произведенных расчетов себестоимости и отпускной цены единицыпродукции, имеем:
-отпускная ценасинтезатора ч.м. — сигналов: Цотп = 132538.35 руб.
-себестоимостьсинтезатора ч.м. — сигналов: Сп = 78571.92 руб.
5.2 Расчет сметнойстоимости НИОКР
Смета затрат напроведение научно-исследовательских и опытно‑конструкторских работрассчитывается по следующим статьям:
-материалы икомплектующие;
-расходы на оплату труда;
-отчисления в фондсоциальной защиты;
-расходы на служебныекомандировки;
-услуги стороннихорганизаций;
-прочие прямые расходы;
-налоги включаемые всебестоимость;
-плановая ( нормативная )прибыль;
-добавленная стоимость;
-налог на добавленнуюстоимость;
-отчисления на содержаниеведомственного жилого фонда и аграрный налог.
Расчет сметной стоимостиНИОКР приведен в таблице – 5.5.
Таблица 5.5 —.Расчетстоимости материалов и комплектующих.Наименование ед. изм. Кол-во ед. Цена, руб. / ед. Сумма, руб. Бумага писчая Кг 2 5000 10 000 Ватман (ф.А1) шт. 10 670 6700 Чертежные принадлежности. шт. - 6000 6000 Электроэнергия кВт/ч 100 30 3000 Итого 27700 Транспортно-заготовительные расходы (5%) 1385 Всего 29085
Расчет основнойзаработной платы участников НИОКР приведен в таблице – 5.6.
Таблица5.6- Расчёт основной заработной платы.Исполнители Кол-во
Кол-во чел-
ко-дней
Средняя
ЗП в день
Сумма ОЗП,
руб Научный сотрудник 1 35 4317.79 151122.6 Инженер 3 70 2845.19 199163.3 Лаборант 2 70 2005.19 140363.3 Итого основная заработная плата всех работников 490649.2
Полная смета затрат наНИОКР приведена в таблице – 5.7.
Таблица5.7- Смета затрат и договорная цена разработки.Статьи затрат Условное обозначение Значение, руб Примечание Материалы и комплектующие
Рм 29085 Таблица Основная зарплата
Зо 490649.2 Таблица Дополнительная зарплата
Зд 98129.8
/>
/> = 20% Основная и дополнительная зарплата прочих категорий работ.
ЗПК 4710.2
/>
/> = 0,8% Отчисления органам социальной защиты
Рсоц 2119.6
/>
/> = 0,36% Амортизация
Риз 58877.9
/>
/> = 12% Прочие расходы
Рпр 9812.98
/>
/> = 2% Себестоимость разработки
Спр 688674.5
Спр = Рм + Зо + Зд + Рсоц + Риз + Рпр
Плановые
накопления
Пед 241036.1
/>
/> = 35%
Отчисления в
спец фонды
Осф 23838.7
/>
/> = 2,5% Итого Ц 953549.3
Ц = Спр + Пед + Осф
5.3 Расчет экономическогоэффекта
На основе расчетов,приведенных ранее, определим целесообразность внедрения инженерного проекта.Чистую прибыль будем определять по формуле:
Пt = (Ц – Сп– Рдс — Ожф)×Nt×(1 — Ht/100), (5.4)
где Пt– чистая прибыль в году t;
Ц — прогнозируемая цена изделия в годуt;
Сп – полная себестоимость изделия;
Nt -объем выпуска в году t;
Ht -процент налога на прибыль (24%).
Для определения величинычистой прибыли в последующие годы необходимо учитывать коэффициент приведения.Приведение осуществляется путем умножения разновременных затрат и результатовза каждый год на коэффициент приведения Кпр, вычисляемый по формуле:
Кпр = 1/(1+ Ен)×t — tp, (5.5)
где t – год, накоторый осуществляется расчет прибыли;
tр – текущий год.
При условии предоплаты насумму начисленной годовой арендной платы за помещение и оборудование (расходыбудущих периодов), исходя из стоимости 5000 руб./мес. за 1 м2, можнонайти стоимость переданной в аренду без права выкупа производственной площади(60 м2):
А = 5000·60·12 = 3 600 000 руб. (5.6)
Поскольку сумма аренднойплаты включается в себестоимость МП, то в расчёте экономического эффекта можносчитать А = 0 .
Расчет чистой прибыли иопределение экономического эффекта приведены в таблице – 5.8.
Таблица5.8– Расчёт прибыли и экономического эффекта.Показатель Единица измере-ния Расчетный период. 2002 2003 2004 2005 1.Прогнозируемый объем производства шт. 500 500 500 500 2.Прогнозируемая цена руб. 132538.35 132538.35 132538.35 132538.35 3.Себестоимость Руб. 78571.92 78571.92 78571.92 78571.92
Результат: 4.Чистая прибыль тыс.руб 6865.66 6865.66 6865.66 6865.66
5.То же с учетом Кпр тыс.руб 6865.66 5694.46 4734.69 3971.39
Затраты: 6.Предпроизводственные затраты (НИОКР) Руб. 985013.64 7.Аренда Руб.
8.Затраты на
рекламу изделия Руб. 50000 40000 25000 15000 9.Всего затрат Тыс. руб. 1029.129 40 25 15
10.То же с учетом
Кпр Тыс. руб. 1029.129 33.2 17.25 8.55
Экономический эффект:
11.Превышение результата
над затратами Тыс. руб. 6866.66 12571.7 17315.28 21296.76
12.Коэффициент приведения Кпр - 1 0.74 0.61 0.569
Таким образом инженерныйпроект экономически эффективен при объеме производства 500 шт/год и анализируятаблицу 5.8 можно сказать, что экономически эффект составляет 21296.76 тыс. рубза четыре года.
Вывод: сведения о затратах на НИОКРпредставлены в таблице и составляют 985013.64 рублей.
При этом:
— отпускная ценасоставила: Ц=132538.35 руб.;
- себестоимость: Сп= 78571.92 руб.
6 ОХРАНА ТРУДА ИЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСТНОСТЬ
Обеспечение электробезопасности приэксплуатации цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов
Цифровой синтезатор ч.м. – сигналов предназначен для работы в качествевозбудителя передатчика и гетеродина приемника. Питание приемникаосуществляется от трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтральюоднофазного напряжения 220 В.
Опасность пораженияэлектрическим током среди прочих отличается тем, что человек не в состоянииобнаружить ее дистанционно (визуально, на слух, по запаху).
Все многообразие действийэлектрического тока приводит к двум формам поражения: к электрическим травмам иэлектрическим ударам. Внешними проявлениями электротравмы могут быть: ожоги — покраснения кожи, образование пузырей, омертвление (обугливание) пораженногоучастка кожи; электрические знаки — безболезненные пятна серого илибледно-желтого цвета на поверхности кожи; механические повреждения кожи,кровеносных сосудов, переломы костей и т.д. вследствие судорожного сокращениямышц или падения человека, пораженного электрическим током.
Электрический ток,протекая через тело человека, оказывает термическое, электролитическое ибиологическое действие.
Термическое — проявляетсяв ожогах отдельных участков тела, нагреве и повреждении кровеносных сосудов,перегреве нервных проводящих путей, сердца и других органов.
Электролитическоепроявляется в разложении крови и других внутренних жидкостей организма, вызываяпри этом значительное изменение их физико-химических и биологических свойств.Биологическое действие свойственно лишь живой ткани и выражается в еераздражении и возбуждении. Оно сопровождается непроизвольными судорожнымисокращениями различных групп мышц, в том числе сердца и мышц грудной области.При большой величине тока, происходит нарушение либо полное прекращениедеятельности органов дыхания и кровообращения.
Признаками электрического удара являются: непроизвольное судорожноесокращение мышц вплоть до потери сознания, нарушение у человека сердечной идыхательной деятельности с возможным прекращением работы сердца и легких.
Остановке сердца иногда предшествует явление фибрилляции — хаотичногоразновременного сокращения волокон сердечной мышцы.
По своему воздействию наорганизм человека электрический удар имеет четыре степени тяжести [12]:
Первый:
наиболее легкая ссохранением дыхательных функций и деятельности сердечно-сосудистой системы безпотери сознания;
Второй:
потеря сознания с сохранениемдыхания и сердечно-сосудистой деятельности;
Третий:
потеря сознания инарушение дыхания и сердечно-сосудистой деятельности;
Четвертый:
состояние клиническойсмерти.
Если в течение времени от 7 до 8 минут не будетвосстановлено дыхание и сердечная деятельность, то наступает физиологическаясмерть.
Определим величину тока,протекающего через тело человека, если он стоит на влажном бетонном полу вобуви с кожаной подошвой и прикоснулся к токоведущим частям источника питанияили к корпусу установки.
На корпус пробитонапряжение 220 В. Значение тока, протекающего через человека вычисляется последующей формуле:
/>, (6.1)
где: U— напряжение сети 220 В.;
r — сопротивление заземления нейтрали — 8 Ом.;
/> - сопротивление в цепи телачеловека,
где /> -сопротивление тела человека,/>=500 Ом при повышенном напряжении ;
/> - сопротивление обуви,/>=500Ом. ;
/> - сопротивление основания (пола, грунта), на которомстоит человек, />=900 Ом.;
Отсюда находим:
/>
/>
Значение тока /> не превышает значениедопустимого уровня тока, равного 0,3 мА, и следовательно не может вызватьфибрилляцию сердца человека.
Исследователь прикоснулсяк корпусу прибора. Прибор питается от трехфазной сети с заземленной нейтралью.На корпус пробито фазное напряжение.
Значение тока,проходящего через человека в указанных условиях, определяется из выражения[14]:
/> (6.2)
где:
Uф— напряжение сети 220 В.;
r — сопротивление заземления провода — 4 Ом.;
/> - сопротивление в цепи человека,
где /> - сопротивление тела человека,/>=1000 Ом.;
/> - сопротивление обуви,/>=500Ом. ;
/> - сопротивление основания, на котором стоит человек, />=900 Ом.;
Отсюда находим:
/>
/>
Значение /> превышает значениедопустимого уровня тока, следовательно для обеспечения электробезопасностиследует применить один из следующих способов защиты: защитное заземление;зануление; защитное отключение.
В электроустановках,питающихся от трехфазных четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтральюнапряжением до 1000 В для обеспечения электробезопасности применяетсязануление.
Расчет зануленияпроизводится с целью определения условий, при которых оно надежно и быстроотключит поврежденную электроустановку от сети и одновременно обеспечитбезопасность прикосновения к зануленным частям измерительных приборов ваварийный период. Проектирование и расчет зануления включает: выбор средстваавтоматического отключения приборов от сети (предохранителя, электромагнитноговыключателя и т.п.); расчет тока однофазного короткого замыкания />; расчет номинального токасрабатывания защиты.
Ток однофазного короткогозамыкания в цепи зануления определяется по формуле [13]:
/>, (6.3)
где: Uф— напряжение сети 220 В.;
/> полное сопротивление петли«фаза-нуль»;
/> сопротивление обмотки трансформаторасети, 3,11 Ом;
Полное сопротивлениепетли «фаза-нуль» вычисляется по следующей формуле :
/> (6.4)
где:
/>активное сопротивление фазного инулевого защитного проводников, Ом;
/>внутренние индуктивные сопротивленияфазного и нулевого защитного проводников, 0.0156 Ом/км;
/>внешнее индуктивное сопротивлениепетли «фаза-нуль», 0.3 Ом/км;l — длина сети, 77 м.
Тогда:
/>
/>
Номинальный токсрабатывания устройства защиты определяется исходя из мощности подключенныхприборов по формуле [14]:
/>/>, (6.5)
где: />мощность подключенныхприборов, Вт;
/> (6.6)
где: />мощность прибораинтенсивной магнитной терапии;
/>мощность источника тока;
/>мощность милливольтметра.
/>
/>коэффициент надежности, 1,1;
Следовательно:
/>
В качестве средстваавтоматического отключения выбираем плавкую вставку с номинальным током 3 А.
Проверяем условиенадежности работы средства автоматического отключения установки от сети:
/>, (6.7)
где к — коэффициент кратности (для плавкой вставки к = 3) 79,8 ³ 3*3
Так как условиевыполняется, то выбранное устройство защиты обеспечивает требуемую безопасностьработы.
Запрещаетсяэксплуатировать цифровой синтезатор ч.-м. сигналов при обрывах проводоввнешнего присоединения, проводить присоединения при подключенном напряжениипитания. В случаях возникновения аварийных ситуаций следует их обесточить.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате дипломногопроектирования был проведен следующий объем работ по схемотехническойразработке цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов,конструкции устройства и технологии его изготовления:
–обзор существующиханалогичных разработок;
–схемотехническоепроектирование и выбор элементной базы устройства;
–разработкапринципиальных схем;
–конструкторский расчетустройства и разработка печатной платы;
-выбор и обоснование схемытехнологического процесса исходя из необходимых параметров устройства;
-технико-экономическоеобоснование дипломного проекта, которое включило в себя расчет себестоимостиотпускной цены, расчет экономического эффекта;
-в заключение был разработан комплексмер по обеспечению безопасности жизнедеятельности человека при эксплуатациирзработанного устройства.
В настоящем дипломномпроекте широко использовались вычислительная техника и современное программноеобеспечение. В частности для разработки топологии печатной платы былаиспользована система автоматизированного проектирования PCАD 8.5 а дляполучения графической документации — AutoCAD2000.
Достоинством такогоподхода к решению поставленной задачи является то, что, например, обработкафайла топологии печатной платы PCAD позволит подготовить информацию для “запуска “ в производство платы.
В результатеработы была разработана конструкторская документация на проектируемое устройствои оформлена расчетно-пояснительная записка.
СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Методические указания по дипломному проектированию для студентовспециальностей “Проектирование и производство РЭС”, “Проектирование итехнология ЭВС”. Под редакцией профессора Хмыля А. А. — Мн: БГУИР, 1998. — 44с.
2. ГОСТ 14.201-83. Общие правила обеспечения технологичности конструкцииизделия.
3. ГОСТ 21552-84. Средства вычислительной техники (общие техническиетребования, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение).
4. ГОСТ 23751-86.Платы печатные. Основные параметры конструкций.
5. ГОСТ 25347-82.Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.
6. Колбун В. С.Проектирование печатного монтажа с помощью САПР PCAD. Учебное пособие по курсу“Прикладное программное обеспечение САПР”. — Мн.: БГУИР, 1995. — 49с.
7. Система P-CAD 8.5-8.7 / В.Д. Разевиг Москва “Солон-Р” 1999г.
8. Яншин А.А.Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. – М.: Радиои связь, 1983. – 312с.
9. Конструированиерадиоэлектронных средств: Учебное пособие для студентов специальности“Конструирование и технология радиоэлектронных средств”./ Под ред. Образцова Н.С. – Мн.: БГУИР, 1994 – 201с.
10. Методическиеуказания по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов / ЕлецкихТ.В., Афитов Э.А., Палицын В.А., Феденя А.К. – Мн.: БГУИР, 1995. – 124 с.
11. Методическоепособие по технико-экономическому обосновнию дипломных проектов / А.А.Носенко,А.В.Грицай. – Мн.: БГУИиР, 2002г. – 50с.
12. Охрана труда вмашиностроении: Учебник для машиностроительных вузов/ Юдин Е.Я., Белов С.В.,Баланцев С.К. и др.; Под ред. Юдина Е.Я., Белова С.В. – М.: Машиностроение,1983, 432 с., ил.
13. Практическиерасчеты по инженерному обеспечению безопасности труда, ч.1. Учебное пособие длядипломного проектирования./ Шакиров Р.С. — Мн.: МРТИ, 1985г. — 56с.
14. Задачи и расчетыпо охране труда, ч.1. Методическое пособие./ Михнюк Т.Ф., Тупов В.В. – Мн.:БГУИиР, 1996г. – 36с.
15. Разработка иоформление конструкторской документации РЭА. Справочник / Под ред. РоманычевойЭ.Т. – М.: Радио и связь, 1989. – 448с.
16. ГОСТ 2.417-91ЕСКД. Правила выполнения чертежей печатных плат.
17. ГОСТ 2.702-75ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.