Курсовая работа: Разработка печатной платы цифрового автомата

- нижнее предельное отклонение диаметра отверстия.

Для микросхем K176ИЕ5 и схожих с ним

de=2.75

r=0.4

=0.15

d>=3.3

Стек элемента резистор и схожих с ним

de=1

r=0.4

=0.15

d>=1.6

7.8.2 Расчет расстояния от среза платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка

Расстояние от края платы, от среза платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка определяется классом точности и толщиной платы. Необходимость расчета этого расстояния обусловлена необходимостью задания барьеров для трассировки.

Это расстояние можно посчитать отдельно для печатного проводника и отдельно для контактной площадки. С целью унификации выполняется расчет только для контактной площадки, так как это расстояние оказывается больше, чем для проводника.

q- величина скола, равна 1.2 для 2го класса точности для толщины ПП 1.5 мм. K-расстояние от скола. Определяется классом точности. Для 1,2 классов принимается равной 0,3 мм, для 3,4 классов - 0,15 мм , для 5-го класса - 0,1 мм.  -позиционный допуск расположения центра отверстия (0,20).-позиционный допуск расположения центра контактной площадки (0,10). - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (+0,10)

Q=1.2+0.3+0.5*(0.22+0.12+0.12)=1.53

7.8.3 Расчет ширины проводника

При расчете ширины проводника учитывают:

-класс точности,

-допустимый ток нагрузки,

-допустимое падение напряжения.

Ширина проводника выбирается их условия:

Где  -расчетное значение ширины,

t – минимальная ширина проводника для заданного класса точности

- ширина проводника рассчитанная из условия допустимого тока

 -ширина проводника, рассчитанная из условия заданного допустимого падения напряжения,

- нижний допуск на ширину проводника.

= -0.1

t = 0.35мм

7.8.4 Расчет ширины проводника исходя из условий допустимого тока

- Максимальный ток через проводник

i –плотность тока

h –толщина проводника.

Плотность тока определяется материалом проводника:

для медной фольги i=100 А \ кв.мм.

h=1mm

Imax=80мА

ti = 0.08мм

7.8.5 Расчет ширины проводника исходя из условия допустимого падения напряжения

где-удельное сопротивление слоя металла,

 -максимальная длина проводника на печатной плате=290мм,

 -допустимое падение напряжения на проводнике=0,5В.

Удельное сопротивление для медной фольги равно 0,0000000172 Ом\м,

Максимальная длина проводника принимается равной сумме двух сторон платы.

Максимальное допустимое падение напряжения – 1.2 в

Imax=800мА

tu=(0.0000000172*8*0.290)/(0.001*0.5)=0.001мм

Исходя из максимального значения, получаем ширину проводника tmax=0.35мм/

7.8.6 Расчет размеров контактных площадок

Контактные площадки со сквозными отверстиями обычно имеют круглую форму. Если форма отличается от круглой, то расчет ведут для окружности, вписываемой в данную форму. Расчет для контактных площадок со сквозными отверстиями ведется по формуле:

Для элемента K176ИЕ5 и схожих с ним

Где d=3.3 –диаметр отверстия

b=0.1 – гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса.

=0.1 -верхнее отклонение ширины проводника.

=0.15-отклонение диаметра отверстия (по таблице)

D=3.3+0.2+0.1+0.15+(0.2^2+0.1^2+0.1^2)1/2=4

Для элемента резистор и схожих с ним

Где d=1.6 –диаметр отверстия

b=0.2 – гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса по таблице,

=0.1 -верхнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице…

=0.2-отклонение диаметра отверстия (по таблице)

D= D=1.6+0.2+0.1+0.15+(0.2^2+0.1^2+0.1^2)1/2=2.3

7.8.7 Расчет расстояния между элементами печатного рисунка

Наименьшее расстояние между элементами печатного рисунка определяется по формуле:

S=0.1+0.1+0.025=0.225

Т.к. рассчитанное значение меньше аналогичного из таблицы, берем значение наименьшее номинальное расстояние между проводниками из таблицы: S=0.45

Расчет диаметра зоны запрета около не металлизированного отверстия. Зона запрета вводится при задании условий для трассировки. Она должна быть не меньше расчетной.

-позиционный допуск на отверстие

-верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, таблица 15

d – величина скола

k – величина до зоны скола.

Dz=1.2+0.15+0.5+0.2+0.6=2.65

7.9 Трассировка с помощью САПР

Бессеточный трассировщик P-CAD Shape-Based Router предназначен для интерактивной и автоматической трассировки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения компонентов. Особенно эффективен для компонентов с планарными контактами, выполненных в разных системах единиц измерения. Автотрассировщик обрабатывает печатные платы, имеющих до 30 слоев, до 4000 компонентов, до 5000 контактов в одном компоненте до 1000 цепей и до 16 000 электрических соединений в проекте.

Запускается программа или непосредственно из редактора P-CAD РСВ или автономно из среды WINDOWS (файл SR.EXE).

Настройка стратегии трассировщика производится после его запуска с помощью диалогового окна Options/Auto-Router.

Диалоговое окно имеет три закладки: Routing Passes, Parameters и Testpoints.

В закладке Routing Passes в областях Router Passes и Manufacturing Passes устанавливаются различные процедуры (проходы) трассировки:

В закладке Parameters устанавливаются параметры трассировки для различных слоев платы.

В закладке Testpoints задаются параметры генерации контрольных точек электрических цепей, в качестве которых могут использоваться существующие контактные площадки и переходные отверстия, появившиеся в результате трассировки.

Для каждой электрической цепи можно задать индивидуальный набор атрибутов, который будет использоваться при автотрассировке. Нужные атрибуты цепей устанавливаются в окне Net Attributes, которое вызывается командой Edit/Net Attributes.

В этом окне можно задать:

Display - режим отображения цепи на экран (True/False);

Priority — очередность автотрассировки цепей (до 20 цепей);

Length Minimize - режим минимизации длины конкретной цепи: None - нет требований к длине цепи, Min Dist - минимизация общей длины цепи, Daisy — сохранение последовательного соединения контактных площадок (стиль Daisy-chain), Horizontal — горизонтальная прокладка цепи (обычно используется для цепей "питание" и "земля", Vertical - вертикальная прокладка цепи (обычно используется для цепей "питание" и "земля");

Route Action — стиль автотрассировки: Default — стандартный стиль автотрассировки (если печатная плата двухслойная, то стрингеры создаются только для планарных контактных площадок), Route — трассировка цепи без генерации стрингеров, No Route - запрет трассировки цепи, Locked - запрет перетрассировки ранее проложенной цепи, Fan Out/Route - предварительная генерация стрингеров для планарных контактных площадок (если таковые имеются) выбранной цепи, а затем ее трассировка, Fan Out/Plane -предварительная генерация стрингеров для планарных контактных площадок (если таковые имеются) выбранной цепи, без ее трассировки (для слоев "земли" и "питания");

Route Layers - выбор слоев трассировки для конкретной цепи: Аll Routing - трассировка на всех сигнальных слоях, Тор - трассировка только на верхнем слое, Bottom - трассировка только на нижнем слое;

Width - ширина трассы конкретной цепи (по умолчанию всем трассам назначается ширина, определенная в поле Primery Trace Width закладки Parameters окна Autorouter Setup).

Перед началом трассировки рекомендуется выполнить команду Reports/Pre-Route Synopsis, которая кратко информирует о возможных будущих результатах трассировки (файл SR.RPT). При анализе файла пользователь принимает решение о начале трассировки или о частичном изменении параметров стратегии трассировки или параметров печатной платы.

По команде View/Density можно получить цветную графическую карту плотности трассировки печатной платы. На этой карте красным цветом обозначена наибольшая плотность трасс, голубым — наименьшая плотность. Если на печатной плате одно или несколько пятен красного цвета, занимающие более 10-20% площади печатной платы, то для успешной трассировки рекомендуется переразместить компоненты.

Ручная трассировка новых соединений или редактирование существующих трасс производится после выполнения команды Tools/ Manual route. Перед началом работы на печатной плате должны быть размещены компоненты и определены соединения между контактами компонентов по команде Place/Connection или загружена полученная ранее информация о соединениях командой Utils/Load Netlist. Необходимо проверить также наличие всех слоев для трассировки (в противном случае необходимо выполнить команду Options/Layers и настроить слои трассировки). Трассировка производится только в сигнальных слоях. При попытке использовать для трассировки несигнальные слои появляется сообщение об ошибке.

Трасса на печатной плате фиксируется щелчками левой кнопки мыши в местах начала трассы, ее изломов и конца трассы. В случае нарушения допустимых зазоров между объектами на печатной плате ошибка помечается маркерами (кружками) желтого цвета.

Переход трассы из одного слоя на другой с автоматической вставкой переходного отверстия производится нажатием на клавишу номера сигнального слоя. Клавиша L позволяет переключать сигнальные слои.

Для удаления последнего сегмента трассы в контекстном меню нажимается строчка Undo. Если нужно прервать трассировку в том месте, где находится курсор (при нажатой левой клавиши мыши), можно воспользоваться клавишей / (прямой слэш). Эта клавиша либо прерывает прокладку трассы, либо показывает кратчайший путь от прерванного места до контакта. Этот кратчайший путь называется оптимизацией частично выполненной трассировки, и этот режим включается флажком Optimize Partial Route команды Options/Configure.

В процессе выполнения ручной трассировки после нажатия на правую кнопку мыши появляется контекстное меню, которое позволяет выполнить следующие операции:

Exit - завершение прокладки трассы (трасса остается неразведенной);

Finish — автоматическое завершение трассы программой;

Lock - прекращение прокладки трассы (трасса остается недоразведенной).

Интерактивная трассировка выполняется с помощью набора команд меню Tools.

Autorowte Connection (автоматическая трассировка одного соединения) — пользователь последовательно, цепь за цепью, указывает порядок трассировки соединений.

Autoroute Net (автоматическая трассировка одной цепи) — после выбора нужной цепи будет произведена ее трассировка с соблюдением всех обусловленных ранее ограничений на трассировку указанной цепи.

Autoroute Component (автоматическая трассировка всех связей компонента) — выбор компонента производится указанием мышью на один из его выводов. Затем автоматически проводятся все цепи, инцидентные всем контактам выбранного компонента.

Autoroute Area (автоматическая трассировка в выбранной области) — необходимо очертить область печатной платы, после чего все соединения, начинающиеся или заканчивающиеся в этой области, будут проведены автоматически.

Для соединения контактов надо щелкнуть по контакту (или по электрической связи, проложенной ранее), к которому подходит нужная связь. От контакта к контакту будет проложена трасса с возможными переходами из слоя в слой.

При интерактивной трассировке выполняются заданные атрибуты цепей:

WIDTH - ширина трассы;

VIASTYLE — стиль переходного отверстия;

CLEARANCE - величина любого зазора;

PADTOPADCLEARANCE — зазор между контактами компонента;

PADTOLINECLEARANCE - зазор между контактом и линией трассы;

LINETOLINECLEARANCE - зазор между линиями трасс;

VIATOPADCLEARANCE - зазор между контактной площадкой и переходным отверстием;

VIATOLINECLEARANCE — зазор между контактной площадкой и линией трассы;

VIATOVIACLEARANCE - зазор между контактными площадками.

Если результаты трассировки не удовлетворяют пользователя, то можно выполнить следующие команды:

Unroute All Nets - удаление всех проложенных цепей.

Unroute Conflicts — удаление всех цепей, имеющих помеченные на печатной плате конфликтные точки.

Unroute Net — удаление всей трассы одной цепи.

Unroute Connections - удаление трассы, соединяющей две контактные площадки.

Unroute Segment — удаление сегмента цепи.

При интерактивной трассировке рекомендуется перед окончательным проведением цепи использовать команду Tools/Sketch Route. При указании на цепь подсвечивается вся электрическая цепь. Далее указывается один из контактов цепи и, не отпуская левую клавишу мыши, вычерчивается (неровной линией) предполагаемая трасса, которая после отпускания клавиши мыши проводится окончательно с соблюдением всех установленных правил трассировки.

Автоматическая трассировка производится после выполнения команды Tools/Start Autorouter в меню автотрассировщика P-CAD ShapeBased Router. В процессе трассировки в строке состояний отражается ход трассировки: название текущего прохода трассировки, число разведенных цепей и количество введенных переходных отверстий, наличие конфликтов и т. д.

Перед началом трассировки система выполняет анализ печатной платы и выбирает подходящую стратегию трассировки. В случае появления сообщения One or more connection cannot be routed (одно или более соединений не может быть проведено) проанализируйте текстовый файл *.LOG, внесите нужные исправления и начните трассировку заново.

На начальных этапах трассировки программа Shape-Based Router прокладывает трассы с нарушением технологических зазоров и даже с пересечением трасс на одном слое. Такие конфликты указываются на экране кружочками желтого цвета. На последующих проходах конфликты устраняются, а если это не удается сделать трассировщику, то результаты трассировки вместе с оставшимися конфликтами передаются в редактор РСВ Editor и редактируются самим пользователем.

Автотрассировку можно остановить по команде Tools/Pause Autorouter, возобновить по команде Tools/Restart Autorouter и прекратить по команде Tools/Stop Autorouter.

При автотрассировке возможно задание еще нескольких ее локальных режимов (для этого необходимо остановить процесс автоматической трассировки):

Autoroute Connection (автоматическая трассировкга отдельных фрагментов электрической цепи) - автоматическая трассировка производится при последовательном выборе того или иного контакта электрической цепи;

Autoroute Net (автоматическая трассировка всей электрической цепи) - выбирается любой контакт нужной электрической цепи, а затем вся цепь разводится в автоматическом режиме;

Autoroute Component (автоматическая разводка всех связей компонента) — автоматическая разводка производится после указания на любой контакт выбранного компонента;

Autoroute Area — автоматическая трассировка области, выбранной пользователем.

Для возвращения в программу P-CAD РСВ с целью просмотра результатов трассировки и возможного редактирования этих результатов выполняется команда Save and Return.

8. Разработка сборочного чертежа и спецификации

Сборочный чертеж модуля выполняется в масштабе:1:1, 2:1, 2,5:1, 4:1.

На 1- ом листе размещается главный вид модуля и боковая проекция со всеми крепежными деталями. Размещение компонент на этом рисунке не указывается. На 2 и 3 ем листах представляются стороны А и Б с размещением компонент. Для модулей с односторонним размещением компонент допускается компоненты показывать непосредственно на рисунке с главным видом. В этом случае чертеж выполняется на одном листе.

Сборочный чертеж должен давать полное представление о конструкции модуля, поэтому чтобы показать сложные конструктивные участки, например, элементы крепления, фиксации и пр. необходимо показывать разрезы в этих местах. На чертеж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры, предельные отклонения, позиционные обозначения. Компоненты изображаются в упрощенном виде. Всем составным частям присваивают позиционные номера, которые указывают с помощью выносок вне поля платы. Сборочный чертеж должен содержать технические требования по монтажу и сборке.

Обычно сборочные чертежи выполняются с помощью системы автоматизированного проектирования Автокад. В программе P-CAD PCB есть средства для передачи файлов с расширением *.pcb в файлы для программы Автокад. В курсовом проекте допускается выполнение сборочного чертежа в программе P-CAD PCB. В данной лабораторной работе используем программу P-CAD PCB.

Спецификация на модуль.

Спецификация представляет собой таблицу, содержащую перечень всех составных частей, входящих в данное изделие, и конструкторских документов. Она выполняется на листах формата А4.

Спецификация содержит графы:

-"Формат" -заполняется только для документации, при этом указывается формат, на котором выполнен документ.

-"Зона" -используется для больших и сложных сборочных чертежей, в которых поле чертежа разбивается на зоны. Используется редко.

-"Поз."-указывается позиция на сборочном чертеже. Позиции обозначают цифрами в порядке возрастания.

-"Обозначение" -указывают децимальный номер документа. Заполняется только для документации.

-"Наименование"-указывается наименование документа, детали . компонента и прочее. Для компонент в этой графе указывают также ГОСТ или ТУ, по которым выполнен компонент.

"кол." - указывают количество однотипных элементов.

"Примечание" - позиционные обозначения для компонент указывают согласно электрической принципиальной схеме.

Спецификация состоит из разделов:

-Документация,

-Сборочные единицы,

-Детали,

-Стандартные изделия,

-Прочие изделия.

- Материалы.

Название раздела указывают в графе "Наименование" и подчеркивают.

9. Поверочные расчёты

9.1 Расчет надежности

- Коэффициент k1, учитывает механические воздействия. Он определяется объектом размещения. Выбираем для объекта "портативное": 1,07

- Коэффициента k2 зависит от максимальной температуры и влажности при которых эксплуатируется изделие. Он определяется в зависимости от температуры и влажности из таблицы в нашем случае 2,5

- Коэффициент K3 зависит от высоты над уровнем моря и определяется по таблице. В этом проекте он равен 1.

Коэффициенты k1, k2, k3 для всех элементов одинаковы.

- Коэффициент kni нагрузки.

kni = Эр\Эдоп

Где Эр –рабочий параметр компонента. Находится путем расчета режима работы схемы.

Эдоп –допустимый рабочий параметр компонента. Находится по справочным данным для каждого конкретного компонента.

Если kn для отдельных элементов рассчитать не удается, то он принимается равным 1.

- Коэффициент  зависит от kni и от температуры корпуса компонента. В общем случае эта зависимость сложная и нелинейная. Для учебных целей используем линейную зависимость и рассчитываем  по формулам:

=1,5* kni -при температуре корпуса компонента от 30 до 50 градусов Цельсия.

- В графе 7 указывается интенсивность отказов элементов, которая находится по справочникам. В связи со сложностью получения этих данных (Фирмы иногда эти данные не публикуют в открытой печати), берем значения из методического пособия.

- В графе 8 указываются интенсивности отказов компонент и элементов печатного монтажа с учетом условий эксплуатации и режимов работы.

 определяется по формуле:

=k1*k2*k3**

- В графе 9 записываются значения произведений, где ni –число элементов указанных одной строкой таблицы.

Интенсивность отказов печатного блока будет определяться по формуле:

 (1\час)

3,34* 10-6(1\час)

Наработка на отказ определяется по формуле:

Т0 =1\=3,0*105(час)

Вероятность безотказной работы за время t определяется по формуле:

Вероятность отказа за время t определяется по формуле:

t = 24часа

=0,99954

=0,00046

В ходе проверки оказалось, что схема соответствует изначальным требованиям с большим запасом надежности.

9.2 Расчет уровня стандартизации и унификации

Уровень стандартизации и унификации определяется по формуле:

где:  -уровень стандартизации и унификации в процентах,  -число стандартных деталей (Детали, выполненные на предприятии по стандартам, например, болты, гайки, стальные уголки и пр.), -число деталей, заимствованных из предыдущих изделий, выпускаемых данным предприятием,  - число покупных изделий (Число покупных компонент), -общее число деталей, которое кроме перечисленных выше включает также уникальные детали, например, печатную плату.

Разрабатываемая плата состоит целиком из покупных и стандартных частей, т.к. в рамках данной работы не проводилась разработка уникальных блоков, кроме собственно печатной платы, поэтому:

Y = 100(78)/79=98.7

9.3 Тепловые расчеты

1) Находим мощность рассеваемую модулем.

Узел потребляет от источника питания напряжение 12В, ток 1мА, 0,012 Вт

2) Находим площадь, через которую будет рассеиваться тепло. Печатную плату с установленными на ней компонентами условно представляем моделью в виде пластины и считаем, что площадь рассеивания равна двум площадям платы.

=2*(0.12 *0.15)=0,036м2

где H и L - габаритные размеры платы.

Считаем, что тепло распределяется по поверхности платы равномерно (Если данное условие не выполняется, то площадь платы в расчете необходимо уменьшить до величины площади, занимаемой теплонагруженными компонентами).

3) Находим удельную мощность рассеивания на единицу площади:

P=0,012/0,036=0,33 Вт/м2

4) По диаграмме Рис. 1 находим точку, характеризующую тепловой режим работы модуля и определяем зону, в которую она попала.

Рис.1.

5) Точка, характеризующая режим работы субблока находится в зоне 1, следовательно требуется естественное охлаждение.

Естественное охлаждение предполагает:

1. Обеспечение обтекания всех элементов конструкции

2. Теплонагруженные элементы располагаем ближе к элементам корпуса

3. Теплонагруженные элементы не располагаем под термочувствительным элементом

4. Использование перфорации на корпусе

10. Перечень используемых источников

1.   Справочник конструктора РЭА / Р.Г.Варламов. –М.: 1973

2.   Популярные цифровые микросхемы. Справочник. / Шило В.Л. -М.: Радио и связь, 1989.

3.   Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский. -М.: Радио и связь, 1987.

4.   Платы печатные, общие технические условия (ОСТ4 ГО.077.200). -М.: 1981.

5.   Проектирование многослойных печатных плат с помощью системы P-CAD, В.Д.Разевиг. -М.: 1992.