Розробка конструкції схеми порівняння між суматором та лічильником віднімання

Зміст Вступ

1. Найменування та область використання блоку

2. Підстава для розробки

2.1 Призначення пристрою

2.2 Склад пристрою

2.3 Технічні вимоги

2.4 Вимоги по надійності

2.5 Конструктивні вимоги

3. Обґрунтування технічних вимог

3.1 Обґрунтування умов експлуатації

3.2 Обґрунтування електричної міцності та електричного опору ізоляції

3.3 Обґрунтування умов зберігання блоку

3.4 Обґрунтування вимог щодо умов завадо захищеності

3.5 Обґрунтування вимог до використання комплектуючих елементів

4. Розрахунки по проекту

4.1 Конструктивний розрахунок блоку

4.2 Розрахунок надійності блоку

4.3 Розрахунок технологічності блоку

5. Розробка та опис конструкції блоку

5.1 Обґрунтування конструкції блоку

5.2 Обґрунтування вибору матеріалів Висновок Вступ На початку розробки всієї обчислювальної техніки та радіоелектроніки використовувались на той час надсучасні елементи. Але розміри тих «надсучасних» елементів були великими, а корисні характеристики — малими (слабкими). За основу вони використовували електродні лампи, які мали великі габарити та високу собівартість. На базі електродних ламп були побудовані ЕОМ першого покоління. Ці системи повільно оброблювали інформацію, споживали велику потужність та потребували постійного охолодження. Коефіцієнт корисної дії був незначним.

На зміну електродним лампам прийшли напівпровідникові елементи котрі використовуються і зараз. На базі напівпровідникових елементів були створені транзистори різних типів. Це досягнення призвело до зменшення розмірів приборів та систем майже на 60% відносно електродних ламп. Покращились усі без виключення характеристики, збільшився ККД в декілька раз. На базі напівпровідникових дискретних елементів були створені ЕОМ другого покоління.

ЕОМ третього покоління були реалізовані на мікросхемах малого ступеню інтеграції елементів, так звані «МІС» — вони мали до 10 елементів в одному корпусі. Наступні системи вже будувалися на основі «СІС» — середні інтегральні схеми, вони мали до 100 елементів, «ВІС» — великі, які мали від 100 до 1000 елементів та надвеликі «НВІС» — понад тисячі елементів. Подальшим розвитком комп’ютерної техніки стало використання великої кількості паралельно працюючих процесорів, які відносяться до «НВІС».

Перевага використання цифрових схем над напівпровідниковими елементами дуже колосальна. Ця перевага основана не тільки на використанні меншої кількості корпусів або менших розмірів, а вона ще має великий ряд корисних характеристик котрі переважають. А використання «СІС» в порівнянні з «МІС» полягало в досяганні вищої швидко дії, оскільки затримка імпульсів в об'ємі кристала менше затримок в зовнішніх з'єднаннях. Функціональні пристрої «СІС» витрачають менше енергії, оскільки потужність вживана внутрішніми елементами для перемикання конкретного навантаження наперед відома, тоді як вироби «МІС» розраховуються на максимально допустиме значення, яке в більшості випадків не вживається.

1. Найменування та область використання схеми порівняння між суматором та лічильником віднімання

Схема порівняння між суматором та лічильником віднімання виконана на ІМС серії К555. Може використовуватися в різних блоках як допоміжний елемент, зокрема використовується в мікроконтролерах як блок попереднього формування запиту до постійної пам`яті. Лічильник віднімання побудований d-тригерах та має розрядність 8.

2. Підстави для розробки

2.1 Призначення

Дана схема призначена для порівняння кожного із розрядів суматору зі значеннями в тригерах з яких побудований лічильник віднімання. Лічильник віднімання віднімає від найвищого розряду дискретні сигнали, та має розрядність 8.

2.2 Склад

Даний блок складається:

— чотири суматори серії К555ИМ5;

— вісім d-тригерів К555ТМ2В;

— схема порівняння серії К555СП1;

— три схеми інвертори серії К555ЛА3

— комплект запасних інструментів та приладів: ланцет, пінцет, паяльник, викрутка, припій, каніфоль;

— комплект засобів укладань: з'єднуючи дроти;

— комплект конструкторської документації: пояснювальна записка, специфікація, перелік елементів, схема електрична структурна, схема електрична принципова;

— система математичного розрахунку: логічний розрахунок D-тригера;

— логічний пробник;

— вимірювальні прилади: тестер, осцилограф.

2.3 Технічні вимоги

Загальні:

— Умови експлуатації: 3 зміни;

— У даному виробі повинні бути витримані вимоги до завадозахищеності, вимоги до електричному опору ізоляції;

— Витримані норми зберігання ІМС;

— Витримані норми технічної безпеки та зручність експлуатації.

Приватні:

— двійкова система числення;

— тип керування схемний;

— максимальна споживана потужність блоку >707,65 мВт;

— тип носія тригер;

— розрядність 8 біт;

— джерело живлення для ІМС;

— логічний рівень нуля 0−0,3 В; логічний рівень одиниці 3,8−5,0 В.

2.4 Вимоги по надійності

— терміни вирахування розрахунку надійності повинні відповідати кінцевому розрахунку по надійності і бути не менше

— оцінка результату на надійність — проведення іспитів;

— місце проведення: випробовувальна лабораторія підприємства;

— міра збільшення надійності: резервування елементів;

— кількісні розрахунки безвідмовної роботи схеми підтвердити розрахунковим шляхом;

— вимоги до ЗІП: встановлюється не більше 10% від використовуємої елементної бази.

2.5 Конструктивні вимоги

— конструктивна база повинна залежати від комплекту логічних елементів К555ТМ2 В, К555ИМ5, К555СП1, К555ЛА3;

— вимоги до корпусів: заземлення, перешкодозахищеність, влагозахищеність, примусова вентиляція;

— номенклатура використовуваних деталей і вузлів повинна бути мінімальною;

— доступність елементів які вийдуть з ладу;

— уніфікація деталей і вузлів повинна бути максимальною;

— використання стандартних вузлів і деталей повинне бути максимальною;

— вузли ПК і регулювання повинні бути максимально доступні;

— кількість органів управління повинне бути мінімальним;

— конструкція ПК повинна бути технологічною;

— виріб повинен бути технологічним.

3. Обґрунтування технічних вимог

3.1 Обґрунтування умов експлуатації

Оскільки ця схема є в мікроконтролерах, її розробляють з урахуванням цілодобової роботи. Приміщення, в якому експлуатується блок повинно мати опалення та кондиційоване повітря. Запиленість повітря в приміщенні, де встановлений блок, не повинна перевищувати 75 мкг/м³ при розмірі частинок не більше 3-х мікрон. Конструкція блоку повинна захистити елементи від осідання на них пилу. Джерело живлення блока повинно використовувати від загального джерела ПК 220 В, f=50+(-)1 Гц. Джерело живлення для ІМС 5 В. Атмосферний тиск 730 780 мм. р. с.

В ТУ на схему повинні бути вказані значення показників надійності, які забезпечують цілодобову роботу блока. Повинні бути вказані вимоги до запасних частин. Розрахунок ЗІП повинен проводитись по встановленим нормам. Середній строк служби блоку 5 років.

3.2 Обґрунтування електричної міцності та електричного опору ізоляції

— опір ізоляції між струмопровідними ланцюгами в нормальних умовах експлуатації повинен бути не менше 20 Ом при максимальній напрузі в 500В;

— збільшення міцності по напрузі повинно бути у 1,5−2 рази вище, ніж розрахункове;

— по струму: перетин провідників відповідати максимальній щільності току на мм²;

— відстань між елементами та провідниками повинна бути не менше, ніж зазначена у стандартах та ГОСТах.

— сумарне значення опору в місцях заземлення комп’ютера повинне бути не більше за 2 * 10 Ом

3.3 Обґрунтування умов зберігання блоку

Блок має бути стійкий до зберігання у приміщенні з капітальним опаленням при температурі 15−35⁰С і відносній вологості 35−80%. Тривалість зберігання вказується в ТУ на ПК. Для зберігання блоку передбачається волого і пилонепроникна упаковка.

3.4 Обґрунтування вимог щодо завадозахищеності

При розробці ПК повинні бути передбачені міри захисту від зовнішнього впливу та завад. Вузли і блоки, що являються джерелами завад повинні мати заходи, що будуть ефективно захищати від впливу завад навколишні елементи. В ТУ на ПК мають бути зазначені максимальні значення електричних і магнітних полів, що не порушують нормальну роботу блоку.

3.5 Обґрунтування вимог до використання комплектуючих елементів

Збіркові одиниці серійних ПК виготовляють як правило з покупних комплектуючих елементів, матеріалів і виробів без спеціального добору по вихідних параметрах. Комплектуючі дискретні елементи у власній розробці (трансформатори, перемикачі, кнопкові ряди та ін.) вхідні до складу комп’ютера та його складальних одиниць повинні задовольняти вимогам діючої їм ТУ.

Термін зберігання комплектуючих елементів з моменту їхнього виготовлення до моменту установки не повинний перевищувати 2-х років. Комплектуючі елементи з терміном зберігання більше 2-х років повинні встановлюватись не більше 25%. Забороняється використовувати в ПК комплектуючі елементи в режимах і умовах більш тяжких ніж зазначено в ТУ на ці елементи.

4. Розрахунки по проекту

4.1 Конструктивний розрахунок блоку

1. Визначаємо габаритно установчі розміри навісних елементів

1.1 Розраховуємо площу яку займають мікросхеми серії К555ИМ5

Малюнок 1.1 Схемне позначення габаритних розмірів ІМС

S_им5 = L * d (1.1)

де L — довжина мікросхеми, мм

d — ширина мікросхеми, мм

S_им5 = 17,5 * 9,5 = 166,25 мм²

На схемі маємо 4 ІМС, тому загальна площа дорівнюватиме

S_{им5.Заг.} = S_им5 * n (1.2)

де n — кількість ІМС, шт.

S_{им5.Заг.} = 166,25 * 4 = 665 мм²

1.2 Розраховуємо площу яку займають мікросхеми серії К555ТМ2В

S_тм2в= 17,5 * 9,5 = 166,25 мм²

S_{тм2 В.Заг.} = 166,25 * 4 = 665 мм²

1.3 Розраховуємо площу що займають мікросхеми серії К555СП1

S_сп1 = 20 * 9,5 = 190 мм²

S_{сп1. Заг.} = 190 * 2 = 380 мм²

Розраховуємо площу що займають мікросхеми серії К555ЛА3

S_ла3 = 17,5 * 9,5 166,25 мм²

1.4 Розраховуємо площу що займають конденсатори

Малюнок 1.2 Схемне позначення габаритних розмірів конденсатору

S_к = 6 * 4 = 24

S_к.Заг = 24 * 11 = 264 мм²

1.5 Розраховуємо площу що займають всі навісні елементи

S_{н.е. =} S_{им5.Заг +} S_{тм2 В.Заг +} S_{сп1. Заг +} S_{ла3 +} S_к.Заг

S_{н.е. =} 665 + 665 + 380 + 166,25 = 2140,25 мм²

1.6 Визначаємо площу друкованої плати з урахуванням коефіцієнта заповнення

S_пл = S_н.е. / К.З. (1.3)

де К.З. — коефіцієнт заповнення 0.5

S_пл = 2140,25/ 0,5 = 4280,5

1.8 Визначаємо розміри друкованої плати відхиляючись від однієї сторони

Малюнок 1.3 Схемне позначення габаритних розмірів плати

В = S_пл / А (1.4)

де, А — ширина плати (своєчасно відома 140 мм)

В — довжина плати, мм

В= 4280,5/ 140 = 30,58 мм

Отже розмір друкованої плати 140 Ч 30 мм

2. Розрахунок ширини провідника

S_П = I_MAX / J (1.5)

S_П = 0.45 / 20 = 0.0225 мм²

3. Фактичний переріз провідника

S_Ф = а * t (1.6)

де a — ширина фольги (0,055 мм)

t — ширина друкованого провідника (0,5 мм)

S_Ф = 0,055 * 0,5 = 0,0275 мм

4. Діаметр контактної площадки

d_К = d + 2b + c (1.7)

де d — діаметр отвору (0,7 мм)

b — необхідна мінімальна радіальна товщина контактної площадки при виготовлені друкованої плати (0,1 мм)

с — коефіцієнт який враховує вплив розкиду міжцентрових відстаней (0,01 мм)

d_К = 0,7 + 0,1 * 2 + 0,01 =0.91 ~ 1 мм

5. Діаметр отвору після металізації

d₀ = d_B + (0.14. 0.30) (1.8)

де d_B — діаметр виводів навісного елементу

d₀ = 0,5 + 0,2 = 0,7 мм

6. Визначаємо діамтр під металізацію

d = d₀ + (0.15. 0.20)

d = 0.7 + 0.15 = 0.85

7. Визначити товщину друкованої плати

H = d₀ / (1.9)

де — співвідношення номінального діаметру металізованого отвору до товщини друкованої плати 2 класу точності.

H = 0,75 / 0,5 2

Висновок:

Друковану плату виконано з 2-х стороннього фольгованого склотекстоліту марки СФ-2Н-50, фотосупрактивним методом. Розмір плати 140 X 30 .

Параметри плати повинні відповідати 2 класу точності :

ѕ Ширина ДП — 0,5 мм

ѕ Мінімальна відстань між ДП — 0,5 мм

ѕ Діаметр контактної площадки 0,9 мм

4.2 Розрахунок надiйностi блоку

Надiйнiсть — властивiсть виробу успiшно виконувати свої функцiї на протязi певного проміжку часу і в певних умовах експлуатації.

На надiйнiсть сучасної апаратури впливають рiзноманiтнi клiматичнi фактор и, і механічні впливи.

При проектуваннi пристроїв ПК необхiдно враховувати навантажувальну здатнiсть кожного елемента по cxeмi електричнiй принциповiй, температура навантаження i можливiсть їх резервування.

В залежностi вiд повноти урахування факторiв, якi впливають на роботу виробiв розрiзняють попереднiй та кiнцевий розрахунки надiйностi виробу.

4.2.1 Розрахунок надiйностi попереднiй Попереднiй розрахунок надiйностi можливо привести при наступних умовах iз застосуванням експотенцiального закону розподiлення часу безвiдмовноi роботи:

— інтенсивюсть відмов не залежить від часу при нормальному експлотуваню схем;

— відмови елементів апаратури підкоряеться закону розподілення часу безвiдмовноi роботи.

Попереднiй розрахунок надiйностi виконуеться на етапi ескiзного проектування.

4.2.1.1 Визначаємо iнтенсивнiсть вiдмов схемних елементiв i заносимо їх до таблиці 4.1

Таблиця 4.1

4.3 Розрахунок технологічності блоку

4.3.1 Визначаємо коефіцієнт використання мікросхем в блоці

блок лічильник суматор тригер Таблиця 4.2

Таблиця вихідних даних

4.3.2 Визначаємо коефіцієнт використання мікросхем в блоці

(2.1)

де кількість мікросхем, шт;

— кількість ЕРЕ, шт.

Квик імс = 11/11+11 = 0,5

4.3.3 Визначаємо коефіцієнт автоматизації та механізації виробництва:

(2.2)

де — кількість монтажних з'єднань виконаних автоматизованим та механізованим способом, шт;

— загальна кількість монтажних з'єднань, шт.

Ка.м.=158/180=0,87

4.3.4 Коефіцієнт типізації технологічних процесів

(2.3)

декількість технологічних процесів;

— кількість типових процесів.

Ктпп = 22/11+11=1

4.3.5 Визначаємо коефіцієнт автоматизації та механізації підготовки ЕРЕ:

(2.4)

де — кількість ЕРЕ, підготовка яких виконується механізовано, шт.

Кмп.ере = 22+11/11+11= 1,5

4.3.6 Визначаємо коефіцієнт автоматизації та механізації операцій контролю та наладки електричних параметрів:

(2.5)

де — кількість операцій контролю та наладки, які виконуються автоматизованим чи механізованим шляхом, шт;

— загальна кількість операцій контролю та наладки, шт.

Кмкн = 10/12= 0,83

При виготовлені плати нам будуть необхідні наступні операції контролю та наладки:

— Вхідний контроль (візуальна перевірка плати і електричних з'єднань);

— Після пайки хвилею припою перевірити монтажні з'єднання для визначення кількості і місці до пайки;

— Перевірити якість монтажних з'єднань після до пайки;

— Перевірити працездатність плати і устранити неполадки.

4.3.7 Визначаємо коефіцієнт повтору ЕРЕ:

(2.6)

де — кількість типів розмірів мікросхем, шт.

Кпов.ере = 1- 5/11 = 0,5

4.3.8 Визначаємо коефіцієнт прогресивності формо утворених деталей:

(2.7)

декількість деталей, отриманих прогресивними методами формоутворень (штамповка, пресування, лиття під тиском тощо), шт;

— загальна кількість деталей, шт.

Кф = 1/1 = 1

4.3.9 Кожному базовому показнику присвоюємо коефіцієнт вагової значущості базового показника:

Таблиця 4.3

4.3.10 Розраховуємо показник технологічності конструкції виробу:

(2.8)

де — розраховані вище показники технологічності.

— коефіцієнт вагового значення показника;

іпорядковий номер показника в ранжированій послідовності.

Кі = (0,5+0,87+0,75+0,415+0,238+0,0905+0,0891)/3,851 = 0,76

4.3.11 Рівень технологічності аналізується за співвідношенням:

Ку = К/Кн >1 (2.9)

денормативне значення показника технологічності, для дрібносерійного виробництва він дорівнює 0,6−0,8.

Ку =0,76/0,7 = 1,1 >1

Висновок: розрахований нами показник Ку>1, отже конструкція достатньо технологічна.

5. Розробка та опис конструкції блоку

5.1 Обґрунтування конструкції блоку За результатами конструктивного розрахунку обраний розмір 140Х30мм, що відповідає конструктивному розрахунку, такий розмір являє собою оптимальний варіант при розміщені елементів. Друкована плата є двостороння для уникнення перетину друкованих провідників, використовуються металізовані монтажні та перехідні отвори. Вибір плати обумовлений широкими комутаційними можливостями двосторонньої плати.

Розміщення груп отворів під виводи ІМС постійне і фіксоване. Діаметри отвору всюди однакові, що дозволяє при свердленні плати використовувати сверло одного діаметру. Вигини друкованих провідників виконувати під кутом 90є.

Встановлення елементів по ОСТ.4ГО.014.030−81 з кроком координатної сітки 2.5 мм по складальному кресленню.

Принцип розміщеня елементів рядовий. Живлення мікросхем здійснюється по шинам живлення з ціллю зручності і технологічним особливостям конструкції.

З однієї сторони друкована плата закінчується роз'ємом ламель.

5.2 Обґрунтування вибору матеріалів Матеріал для заготовки плати повинен мати:

— механічну міцність;

— рівну поверхню, без механічних пошкоджень;

— малу діелектричну проникність, для зменшення паразитних ємностей між провідниками;

— температурну стійкість до 240−270єС;

— мінімальну вартість;

— стабільність електричних параметрів при експлуатації.

Цим вимогам більше всього відповідає склотекстоліт ГОСТ 10.316−86 марки СФ2−50. Цей матеріал має гарне зчеплення із струмопровідним покриттям, мінімальну деформацію в процесі виготовлення та експлуатації.

При пайці не можно використовувати кислотні флюси. Раціонально використовувати флюс ФКЕП ОВП 4ТО 033.200 з гарною флюсуючою дією та відсутністю впливу на опір ізоляції, що виключає вилучення його після пайки.

Припій який використовується при пайці ІМС та інших елементів, має бути олов’яно-свинцовий марки ПОС-60 ГОСТ 14.99−75. Він має низьку температуру плавлення 180 — 190єС, що захищає плату та ІМС від перегріву при пайці, забезпечує механічну міцність з'єднання, він має антикорозійні властивості.

Підготовка збірка та пайка навісних елементів здійснюється за ОСТ 4ГО.054−89.

Після регулювання, плату покривають захисним лаком. Данний пристрій треба покрити епоксидним лаком ЕП-730 у три шари. Оптимальна товщина покриття лаком складає 35−100 мкн.

Для реалізації схеми порівняння між суматором та лічильником віднімання використовуються елементи серії К555. Елементи цієї серії мають високу швидкодію і невисоку споживчу потужність, а також невисоку собіватрість.

Висновок В даному курсовому проекті розроблена конструкція схеми порівняння між лічильником віднімання та суматором, з використанням тригерів К555ТМ2 для лічильника, схеми суматора типу К555ИМ5 та схеми порівняння типу К555СП1.