Разработка конструкции блока электронной вычислительной аппаратуры

Кафедра Вычислительной техники ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине «Конструирование, производство и эксплуатация вычислительной техники»

на тему: «Разработка конструкции блока электронной вычислительной аппаратуры»

Рязань, 2008

Содержание Введение

Анализ функционально-логической схемы и технического задания Разработка технических требований к конструкции Выбор элементной базы Разработка конструкции блока Решение задачи компоновки и покрытия Выбор конструкции и размеров ТЭЗ Решение задачи размещения Определение механической прочности ПП Расчет теплового режима Расчет помехоустойчивости Расчет собственной частоты колебания ПП Заключение Список литературы Приложения

Введение

Конструирование, являясь составной частью процесса разработки ЭВМ, предоставляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание современной технологии, схемотехники, импульсной техники и других теоретических и прикладных дисциплин. Важным также является исполнение практического опыта разработчиков электронной вычислительной аппаратуры.

Конструкция современной ЭВМ — это комплекс различных по природе деталей, определенным образом объединенных электрически и механически друг с другом и призванных выполнять заданные функции в заданных условиях и режимах эксплуатации. От правильного выбора этих деталей, материалов, из которых они изготовлены, правильного их размещения, закрепления и объединения зависят важнейшие характеристики устройства: быстродействие, объем, масса, потребляемая мощность, допустимые условия эксплуатации, надежность, стоимость и т. д.

Исходными данными для конструктора является электрическая схема электронного устройства и техническое задание на его разработку. Конструктор должен определить форму, материалы, размеры конструктивного узла, способы соединений входящих в него элементов, обеспечение помехоустойчивости, теплового режима, защиты от внешних воздействий. Для оценки соответствия конструкции требованиям технического задания выполняются все необходимые расчеты. От успешного решения задач конструирования зависят такие характеристики ЭВМ, как быстродействие, надежность, вес, технологичность, удобство эксплуатации и др. Качество разработанной конструкции определяются степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности ЭВМ из-за несоблюдения теплового режима или к значительному снижению быстродействия.

В рамках данного курсового проекта, согласно техническому заданию (ТЗ), производится конструирование типового элемента замены (ТЭЗ). Следует отметить, что такие этапы как размещение логических элементов по корпусам интегральных микросхем (ИМС) и размещение ИМС на печатной плате производились вручную, а трассировка печатных проводников производилась автоматизированным способом, в частотности с использованием САПР P-CAD 2001.

Анализ функционально-логической схемы и технического задания На основании изучения функционально-логической схемы (ФЛС) устройства, анализа ее структуры и состава элементов можно сделать следующие выводы:

1. ФЛС содержит в своем составе 34 логических элемента, которые можно подразделить на три группы:

24 логических элемента И-НЕ (с двумя входами)

10 логических элементов И-НЕ (с тремя входами)

2. У схемы имеется 19 информационных входов и выходов. Помимо них необходимо еще учитывать входы «питание» и «земля».

Разработка технических требований к конструкции Разработка конструкции ТЭЗ должна удовлетворять нескольким группам технических требований, которые можно представить:

1. Эксплуатационные требования:

В соответствии с требованиями ТЗ, разрабатываемый ТЭЗ должен работать при следующих условиях эксплуатации:

Таблица 1

Конструкция ТЭЗ должна характеризоваться удобством и простотой эксплуатации, обеспечивая удобный доступ к элементам, расположенным на печатной плате, а также обеспечить возможность быстрой замены ТЭЗ в случае его неисправности. Необходимо обеспечить по возможности минимальные габариты и вес конструкции.

2. Технологические требования:

Электрические соединения между элементами ТЭЗ должны быть выполнены с помощью технологии печатного монтажа.

Коммутация ТЭЗ с внешними устройствами должна производится посредством стандартного штепсельного разъема.

Для разработанного ТЭЗ необходимо обеспечить приемлемый уровень технологичности в серийном производстве.

Конструкция ТЭЗ должна состоять по возможности из минимального числа элементов.

3. Экономические требования:

Элементы ТЭЗ должны быть реализованы на стандартной элементной базе, имеющейся в производстве, достаточно распространенной и экономически обоснованной.

Выбор элементной базы При изучении существующих серий интегральных микросхем, которые в серийном производстве, их технических характеристик, а также учитывая перечисленные выше требования по условиям эксплуатации для разрабатываемого ТЭЗ, делается вывод о применении в данной конструкции интегральных микросхем серии КМ155. Этот выбор можно обосновать исходя из следующих причин:

1. Условия эксплуатации для микросхем серии КМ155 удовлетворяют требованиям изложенных в ТЗ на разрабатываемую конструкцию. Их можно представить таблицей:

Таблица 2. Условия эксплуатации для ИМС серии КМ155

2. Среди интегральных микросхем данной серии имеются элементы, на которых возможно реализовать заданную ФЛС

3. Интегральные микросхемы серии КМ155 имеются в серийном производстве, достаточно распространены и доступны.

КМ155 серия имеет в своем составе все необходимые элементы для реализации ФЛС. Данная серия обладает большим числом интегральных микросхем, параметры которых удовлетворяют поставленным в ТЗ требованиям. Элементы данной серии ИМ относятся к транзисторно-транзисторной логике ТТЛ.

Таким образом, занесем необходимые для реализации ФЛС микросхемы в таблицу 2.

Таблица 3. Интегральные микросхемы, используемые в печатной плате

Распределение входов выходов логических элементов с ножками ИМС:

КМ155ЛА3 и КМ155ЛА4

КМ155ЛА3

1,2,4,5,9,10,12,13 — входы X1-X8;

3 — выход Y1;

6 — выход Y2;

7 — общий;

8 — выход Y3;

11 — выход Y4;

14 — напряжение питания;

КМ155ЛА4

1,2,13,3,4,5,9,10,11 — входы X1-X9;

6 — выход Y3;

7 — общий;

8 — выход Y2;

12 — выход Y1;

14 — напряжение питания;

Разработка конструкции блока Блок — конструктивно законченная сборочная единица. В комплексную задачу разработки конструкции блока входят несколько основных этапов:

1. Решение задачи компоновки и покрытия

2. Выбор конструкции и размеров ТЭЗ

3. Решение задачи размещения элементов на ПП

4. Расчет прочности

5. Тепловой расчет

6. Трассировка печатных соединений

7. Расчет помехоустойчивости Решение задачи компоновки и покрытия Выделяют два варианта компоновки:

1. Разрезание схемы — это компоновка схемы в типовые элементы, не имеющие схемной унификации.

2. Покрытие схемы — это компоновка схемы в модули заданного системно-унифицированного набора.

При решении задач компоновки используют критерии оптимизации:

1. Минимальное число межблочных соединений

2. Минимальное количество блоков

3. Минимальное количество типов блоков

4. Возможно более полное использование блока Ограничения:

1. Максимальное количество элементов в блоке

2. Максимальное количество внешних выводов

3. На совместную и раздельную компоновку различных элементов Задача компоновки решается точным и приближенным методами. При этом точные методы в силу своей громоздкости не получили широкого распространения. Из приближенных методов получили распространение последовательный, итерационный и смешанный.

В данном курсовом проекте задача покрытия реализована методом параллельного свертывания. Этот эвристический механизм относится к классу последовательно-параллельных алгоритмов. Сущность состоит в том, что производится параллельное наращивание по выходам и выбранным параметрам групп элементов и в последующем их укрупнении. В качестве критерия применяется критерий максимальной связности объединенных в одном корпусе элементов.

Алгоритм задачи покрытия данным методом имеет вид:

Матрица построена для 34 логических элементов и разъема.

Таким образом, задача покрытия — то есть распределение логических элементов по корпусам ИМС, была решена ручным способом. В основу решения задачи были положены критерии максимальной связности элементов внутри корпусов ИМС, а также критерии совместимости логических элементов, размещенных в одном корпусе ИМС.

3 И-НЕ Таблица 4. Решение задачи покрытия

В результате решения задачи покрытия были получены следующие результаты: всего необходимо 10 микросхем, некоторые использованы не полностью, лишних элементов нет.

Выбор конструкции и размеров ТЭЗ микросхема модуль тепловой конструкция При изучении ФЛС разрабатываемого устройства было сделано заключение, что схема содержит 19 информационных контактов и еще два обязательных входа «питание» и «земля». С учетом этого, а также руководствуясь основными требованиями, изложенными в ТЗ, в качестве соединительного разъема был выбран 26-ти контактный малогабаритный разъем для печатного монтажа CONN26M. Разъем имеет размеры 34×12,6.

Для расчета минимальных размеров ПП были учтены конструктивные параметры, которые выбирались в соответствии с рекомендациями, приведенными в литературе:

х1=х2=10(мм) -поля под направляющие;

y1=10 (мм) -поле под разъем;

у2=10 (мм) -поле под ручку и элементы контроля;

tx=15 (мм) — шаг установки ИМС по оси х;

ty=25 (мм) — шаг установки ИМС по оси у;

lx= 7.5 (мм), ly= 15 (мм) — размеры микросхем по соответствующим осям;

Минимальные габариты ПП рассчитываются по следующим формулам:

Lx>=tx * (nx-1)+x1+x2+lx

Ly>=ty * (ny-1)+y1+y2+ly

Lx=15 * (4−1)+10+10+7.5=72.5

Ly= 25 * (3−1)+20+10+15=85

Согласно ГОСТ 10 317–79, на основании значений минимальных размеров ПП, принимаем следующие габариты ПП: длинна Lx=135 (мм), ширина Ly=110 (мм).

Решение задачи размещения После того, как решена задача покрытия, необходимо решить задачу размещения корпусов микросхем на печатной плате. Для решения данной задачи было решено воспользоваться «последовательным алгоритмом размещения». Его можно представить в виде блок схемы:

В качестве критериев оптимального размещения модулей, которые использует «последовательный алгоритм» выступают максимальная степень связности между модулями, стоящими в соседних позициях (Y), а также минимальная суммарная длинна соединений (L). Математически это описывается следующим образом:

Здесь Yi — степень связности i-го не размещенного модуля кА всем размещенным; Li — суммарная длинна соединений между размещенными модулями и i-м модулем размещаемым на позицию pi поверхности; Eкн — множество не размещенных модулей на к-ом шаге алгоритма; Ерк — множество размещенным модулей на к-ом шаге алгоритма; рi, pj — номера позиций на плате в которых размещены i-ый и j-ый модули соответственно; гz — массив соседних позиций на z-ом шаге алгоритма; S — берется из матрицы расстояний; P — берется из матрицы связности.

Исходными данными для данной задачи является эскиз печатной платы с нанесенными на нее схематическими изображениями узлов.

Эскиз печатной платы имеет вид:

В качестве модулей, размещаемых по монтажному пространству ПП выступают в данном случае 10 корпусов интегральных микросхем и одна вилка соединительного разъема. Считается, что каждый из размещенных модулей соответствует числу всевозможных позиций.

Исходя из данной схемы позиций и учитывая то, что минимальное расстояние между двумя позициями на ПП (шаг размещения принимается равным 1, можно представить матрицу S которая задает расстояние между узлами ПП и имеет вид:

Здесь элемент Sij — расстояние между i-ым и j-ым позициями, кратное шагу размещения. Матрица связности модулей с имеет такую же размерность, что и матрица S, но составляется исходя из принципиальной схемы устройства и учитывает взаимную электрическую связь размещаемых модулей между собой. Таким образом, матрица с имеет вид:

Элемент матрицы pij — это количество соединений, имеющихся между i-ым и j-ым модулями соответственно.

В данном случае модули 1−10, обозначают соответствующие им корпуса ИМС, а под 11-ым модулем понимается соединительный разъем. Изначально размещаем 11 элемент в позицию А. Результаты решения задачи размещения приведены ниже:

1-ый шаг:

Ер={11}

Ен={1 2 3 4 5 6 7 8 9 10}

Г={В Г}

Размещаемый модуль:5

Выбранная позиция: Г

2-ой шаг:

Ер={11 5}

Ен={1 2 3 4 6 7 8 9 10 }

Г={В Д З}

Размещаемый модуль:7

Выбранная позиция: В

3-ый шаг:

Ер={11 5 7}

Ен={1 2 3 4 6 8 9 10 }

Г={Б Ж З Д}

Размещаемый модуль:2

Выбранная позиция: Б

4-ый шаг:

Ер={2 5 7 11}

Ен={1 3 4 6 8 9 10 }

Г={ Д Е Ж З}

Размещаемый модуль:8

Выбранная позиция: Е

5-ый шаг:

Ер={2 5 7 8 11}

Ен={1 3 4 6 9 10}

Г={К Ж З Д}

Размещаемый модуль:4

Выбранная позиция: Ж

6-ый шаг:

Ер={2 4 5 7 8 11}

Ен={1 3 6 9 10}

Г={К Л З Д}

Размещаемый модуль:6

Выбранная позиция: З

7-ый шаг:

Ер={2 4 5 6 7 8 11}

Ен={1 3 9 10}

Г={К Л М И Д}

Размещаемый модуль:1

Выбранная позиция: Л

8-ый шаг:

Ер={1 2 4 5 6 7 8 11}

Ен={3 9 10}

Г={К М И Д}

Размещаемый модуль:9

Выбранная позиция: М

9-ый шаг:

Ер={1 2 4 5 6 7 8 9 11}

Ен={3 10}

Г={К Н И Д}

Размещаемый модуль:10

Выбранная позиция: И

10-ый шаг:

Ер={1 2 4 5 6 7 8 9 10 11}

Ен={3}

Г={К Н Д}

Размещаемый модуль:3

Выбранная позиция: Н

Результат размещения ИМС на ПП (эскиз): Рис. 9.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПП При воздействии вибраций или ускорении на печатную плату входом колебательной системы являются края платы, закрепленные в рамке модуля. В этих местах механические колебания передаются на плату. Выходом системы является центр тяжести платы и в этом случае наблюдается прогиб ее. Данная деформация может вызвать разрыв печатных проводников и др. Поэтому необходимо выбирать такие конструктивные параметры модуля, которые не приводили бык его отказам при механических воздействиях.

Расчет разрабатываемого блока на механическую прочность производится в соответствии с указаниями, приведенными в литературе и методических пособиях.

1. Определяем координаты элементов, располагающихся на ПП, и заносим их в таблицу:

2. Расчет центра тяжести приложенных сил:

3. Расчет силы Q, действующей на плату:

а) при ускорении: б) при ударе:

где P — общий вес всех элементов вместе с платой, а — ускорение/удар, действующие на плату, g — ускорение свободного падения.

4. Расчет реакции на Ra и Rb в опорах:

а) при ускорении: б) при ударе:

где l — ширина платы (сторона, перпендикулярная той, которая содержит разъём);

Q — сила, действующая на плату при ускорении и ударе;

Yc — центр платы по оси Y.

5. Расчет максимального изгибающего момента Мтах:

а) при ускорении: б) при ударе:

6. Расчет крутящего момента Mk:

а) при ускорении: б) при ударе:

где b — сторона платы, на которую производится воздействие (т.к. разъём является точкой приложения сил, то воздействие производится на большую сторону ПП);

Q — сила, действующая на плату при ускорении и ударе; Yc — центр платы по оси Y.

7. Расчет напряжения в1, вызываемого на плате изгибающим моментом:

а) при ускорении: б) при ударе:

где b — сторона платы, на которую производится воздействие;

h — толщина платы; Мтах — максимальный изгибающий момент.

8. Расчет напряжения ф:

а) при ускорении: б) при ударе:

где Mk — крутящий момент;

l — ширина платы;

h — толщина платы.

9. Проверка неравенства на выполнение:

а) при ускорении: б) при ударе:

где в — напряжение, возникающее в ПП;

в1 — максимально допустимое напряжение в ПП.

Поскольку в качестве материала ПП был выбран стеклотекстолит с вдопуст.=247МПа, то неравенство

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА Задачей теплового расчета является определение средней поверхностной температуры корпуса блока, находящегося в условиях естественного теплообмена с окружающей средой. Для расчета перегрева относительно окружающей среды воспользуемся методом нагретой зоны:

Предварительные расчёты.

1. Расчет общей мощности Р, действующих в устройстве источников тепла:

микросхемы серии К555 имеют различную мощность (см. Табл.11)

Таблица 11. Мощности МС.

Робщ.= 19,7мВт?6+19,7мВт?4= 197мВт

2. Расчет площади поверхности блока:

3. Расчет нагрева Дt платы за 12 часов:

Дt = 12ч?197мВт= 2,4o C

4. Расчёт площади поперечного сечения платы:

Основные расчёты.

I. Теплоотвод кондукцией.

где бТ — коэффициент теплопроводности гетенакса, равен 0,45

S — площадь, через которую проходит тепловой поток (площадь поперечного сечения)

l — длина пути передачи теплоты За счёт низкого коэффициента теплопроводности гетенакса мощность теплоотвода кондцкцией ничтожно мала, поэтому этот естественный способ охлаждения мы рассматривать не будем.

II. Теплоотвод конвекцией.

где — коэффициент конвективной теплопередачи, С = 0,56 — постоянная, зависящая от ориентации поверхности

a) Рассчитаем мощность конвективной теплопередачи для нижней стороны (С=0,26):

;

.

b) Рассчитаем мощность для верхней стороны (С=0,56):

c) Общая мощность Qконв.

III. Теплоотвод излучением

(1)

1)

Подставим получившееся значение в формулу (1):

2)

где бLкоэффициент теплообмена лучеиспусканием д — степень черноты цij — коэффициент показывающий какая часть энергии тела i попадает на тело j.

(все коэффициенты взяты из справочника)

IV. Общая мощность теплоотвода S.

Если, то естественного охлаждения достаточно для поддержания нормального температурного режима блока.

Очевидно, что нагревание блока превосходит показатель естественного охлаждения, однако необходимо учитывать ещё одно условие: верхнее значение предельно допустимой температуры.

Для этого определим Дtн для найденной мощности:

Дtн = 12ч?204,2мВт= 2,45o C

Перегрев блока составит:

2,45−2,4=0,05оС, т. е. температура разработанного блока будет отличаться от Тос на 0,05 оС.

Учитывая тот факт, что перегрев блока будет незначительным, делаем следующий вывод:

температура корпуса не превышает значения предельной температуры, и средняя поверхностная температура нагретой зоны также не выходит за пределы верхнего значения предельной температуры. Следовательно, в данном блоке, при условиях описанных в ТЗ, всегда будет наблюдаться нормальный тепловой режим.

РАСЧЕТ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ Определяем max длину параллельных проводников при емкостной помехи.

фф — время задержки;

Кпом — коэффициент помехоустойчивости элемента;

dрастояние между проводниками;

a — высота проводника;

b — ширина проводника;

Определяем max длину параллельных проводников при индуктивной помехи путем перебора значений находим оптимальное.

Предельная длина проводника.

Физическая длина самых длинных параллельных проводников, соединяющих МС DD9 (вывод7) и шину питания, DD3(выводы 7) и шину питания, составляет 0,043 м.

Вывод: проводники платы удовлетворяют требованием защиты от помех, т.к. 0,043<0,674.

РАСЧЕТ СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПП Вибрационные воздействия в случае совпадения их частот с частотой собственных колебаний ПП могут вызвать ее повреждение. Поэтому при разработке конструкции модуля необходимо рассчитывать частоту f0 собственных колебаний ПП и ее значение должно находится за пределами частотного диапазона вибрационных нагрузок.

Расчет f0 можно произвести, заменив конструкцию ПП ее эквивалентной схемой в виде блочной системы. Закрепленным краем считаем крепление ячейки в разъеме и винтовое крепление платы.

Частота собственных колебаний ПП вычисляется по формуле:

где Кк — поправочный коэффициент на массу элементов;

me, mp — масса элементов и ПП соответственно;

h — толщина ПП, м;

l — длинна платы, м;

Km=0.52 — поправочный коэффициент на материал (гетенакс);

B=56 — частотная постоянная стальной пластины

me=0,012 кг (масса одного элемента равна 1,2г) Рассчитаем массу ПП:

Итак:

Поскольку частота лежит вне диапазона от 3 до 10 кГц, то возникновение резонанса исключено. Следовательно, под воздействием указанных вибраций разрушение платы не произойдет, и она способна работать в нормальном режиме.

Заключение

В данном курсовом проекте на основании технического задания и функционально-логической схемы был разработан типовой элемент замены.

Выбрана элементная база, габариты ТЭЗа.

Были проведены расчеты на прочность, перегрев, помехоустойчивость ТЭЗа .

Так же при помощи системы автоматизированного проектирования P-CAD была произведена трассировка печатных соединений.

Разработанный ТЭЗ имеет высокую тепло, вибро, помехоустойчивость и может быть запущен в серийное производство.

1. Лекции по курсу «Конструирование, производство и Эксплуатация ЭВА"Филин Д.И.

2. А. В. Лопаткин «Проектирование печатных плат в P-CAD 2001"-Н.Новгород, 2002г

3. А. С. Уваров «Проектирование печатных плат в P-CAD 2004»

4. В. Б. Стешенко Проектирование печатных плат в P-CAD.

5. С. В. Якубовский, Л. И Ниссельсон: справочник «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», М., «Радио и связь», 1969 г.

6. Б. А. Калабеков, И. А. Мамзелев. «Цифровые устройства и микропроцессорные системы» ., «Радио и связь», 1987 г.

7. Д. И. Атаев, В. А. Болотников. «Аналоговые Интегральные Микросхемы» Издательство МЭИ Москва 1991г

8. Е. П. Воробъев, К. В. Сенин, справочник Интегральные Микросхемы «Радио и связь», 1990 г.

9. О. Д. Парфенов, Э Н Камышная В П Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры «Радио и связь» 1989 г.

10. Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. «Высшая школа», 1986 г.

11. Система Проектирования OrCAD. В. Д. Разевиг. «Солон-Р"Москва, 2000 г.

12. Физика О. В. Янчевская «В Таблицах и схемах» Литера Санкт-Петербург2003г.

13. «Радиоэлектронные устройства и конструирование ЭВА» А. Б. Грумбина.Москва2004г.