Разработка конструкции цифрового синтезатора частотно–модулированных сигналов

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 конструктивных составляющих синтезатора

3.5 Выбор и обоснование методов монтажа и межсоединений

3.5.1 Разработка печатной платы устройства с использованием САПР

3.6 Защита конструкции синтезатора от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов

3.7 Описание уточненного окончательного варианта компоновки и конструкции 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 использование сложных сигналов, то есть сигналов, у которых произведение длительности на ширину спектра значительно превышает единицу.

Например, в радиолокации применение зондирующих импульсов большой длительности позволяет получить большую энергию сигнала и, следовательно, большую дальность, при допустимой мощности излучения. В то же время применение частотной модуляции позволяет получить широкий спектр сигнала и, следовательно, малую длительность отраженного импульса после сжатия. В результате при большой дальности достигается высокая точность и разрешающая способность.

Целью данного проекта является разработка конструкции цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов, предназначенного для использования в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в.- канала связи с высокой разрешающей способностью по времени групового запаздывания.

В составе л.ч.м. – ионозонда, цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника В данной конструкции, по сравнению с аналогичными приборами, устранен ряд недостатков: упрощен процесс регулирования, максимальное упрощение конструкции и электрической схемы, защищенность от механических факторов, повышена точность измерений.

В ходе дипломного проектирования решаются следующие задачи:

1) Проводится анализ технического задания.

2) Разрабатывается конструкция цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

3) Проводятся расчеты надежности, виброзащищённости, массы изделия, теплового расчета и расчета элементов печатного монтажа.

    Разрабатываются принципиальные схемы синтезатора.

5) Выбирается элементная база.

6) Разрабатываются, выбираются и обосновываются конструктивные составляющие синтезатора.

7) Выбирается метод монтажа и межсоединений.

8) Производится защита конструкции синтезатора от дестабилизирующих факторов.

9) Разрабатываются вопросы технологии изготовления синтезатора.

10) Экономически обосновывается целесообразность изготовления устройства.

    С точки зрения охраны труда и экологической безопасности оценивается обеспечение электробезопасности при эксплуатации цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

Решив все приведенные выше задачи необходимо проанализировать полученные по всем пунктам результаты и сделать окончательный вывод по проекту.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на дипломное проектирование.

Источники разработки

Модуль должен быть спроектирован на основе уже существующих схемных решений аналогичных устройств.

Технические требования.

Технические характеристики.

Разрабатываемый модуль должен иметь следующие параметры:

    диапазон частот от 10*-2 до 2.5*10*6 Гц;

    минимальный шаг изменения частоты – 0.0025 Гц;

    скорость перестройки частоты 1 – 10000 кГц/с;

Конструктивно – технологические требования

Материалы и комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.

Конструкция изделия должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования. Допускается применение специальных приспособлений.

Показатели технологичности конструкции изделия должны соответствовать ГОСТ 14.201 – 73.

Габариты устройства – не заданы.

Масса модуля – не более 3 кг.

Требования к надежности

Наработка на отказ устройства должна быть 2500 часов в нормальных условиях эксплуатации.

Требования к маркировке, эксплуатации и хранению.

Маркировка разрабатываемого устройства должна соответствовать требованиям ГОСТ 21552 – 84. Она должна содержать:

    торговое наименование по ГОСТ 26794 – 85;

    торговый знак и (или) наименования предприятия –изготовителя;

    месяц и год выпуска;

    отметку ОТК предприятия изготовителя;

    порядковый номер изделия по системе нумерации предприятия – изготовителя;

    предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006;

    обозначение стандарта на модуль;

    дополнительные требования (определяет предприятие - изготовитель).

Место и способ нанесения маркировки устанавливаются в ТУ на модуль.

Упаковка изделия должна производиться согласно требованиям ГОСТ 21552 – 84 [3].

Условия эксплуатации должны производиться по ГОСТ 22261 – 94.

Условия хранения должны соответствовать ГОСТ 22261 – 94.

Экономические показатели

Тип производства – мелкосерийное. Предполагаемая программа выпуска – 500 шт. в год.

Назначение и общая характеристика цифрового синтезатора ч.м.- сигналов

Разрабатываемое устройство – синтезатор частотно – модулированных сигналов, может использоваться в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Прибор позволяет формировать линейные частотно – модулированные сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м.- ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Выигрыш по быстродействию достигается за счет того, что в данном блоке нет сложных операций с массивами входных данных.Синтезатор формирует сигнал треугольной формы, а затем на фильтре нижних часторт выделяется только первая гармоника сигнала. Фильтр нижних частот служит для подавления в спектре выходного сигнала высокочастотных составляющих и настраивается только на пропускание первой гармоники сформированного сигнала. В результате на выходе синтезатора частот формируется сигнал с линейной частотной модуляцией.

Что касается цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты, то применение данного синтезатора в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в к.в. ч.м.- ионозонде позволит решать задачи по исследованию быстропротекающих динамических процессов, происходящих в ионосфере, при ее модификации мощным к.в.- излучением, а так – же в условиях сильных магнитосферных и ионосферных возмущений.

В отличие от цифрового синтезатора без быстрой перестройки рабочей частоты, здесь увеличена скорость перестройки частоты благодаря

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Патентный поиск

Целью патентных исследований является получение исходных данных для обеспечения высокого технического уровня и конкурентоспособности объектов техники, для использования современных объектов НТП и исключения неоправданного дублирования исследований и разработок.

Частью патентных исследований является патентный поиск. Поиск проводится для проверки патентоспособности технического решения, установления уровня техники и патентной чистоты объекта, определения условий реализации прав патентообладателя и т. д.

Различают несколько видов патентного поиска:

первый вид:

тематический (предметный) поиск наиболее распространен, его проводят для выявления изобретений (промышленных образцов, товарных знаков), имеющих отношение к исследуемому вопросу.

второй вид:

именной (тематический) поиск направлен на обнаружение документов конкретного лица (фирмы). Чаще всего он является этапом тематического поиска.

третий вид:

нумерационный поиск имеет целью установить ряд обстоятельств, касающихся конкретного охранного документа: его тематической принадлежности, связи с другими документами, правового статуса.

С целью выяснения патентной чистоты проектируемого модуля был проведен патентный поиск глубиной 3 года 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) и НИРФИ (г. Нижний Новгород).

Сигнал с линейной частотной модуляцией (л.ч.м.) применяли в ионозонде для исследования ионосферы в к.в. – диапазоне. Центральное местоо в этом радиокомплексе занимают цифровые синтезаторы л.ч.м. – сигналов, которые должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в. – канала связи с высокой разрешающей способностью по времени группового запаздывания.

Разработанные цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов были предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в составе л.ч.м. – ионозонда.

Для решения задач диагностики ионосферы требуется шаг перестройки не более 0.1 Гц, но в связи с тем, что частота выходного колебания цифрового синтезатора в данной системе умножатся в 16 раз, минимальный шаг по частоте в диапазоне частот до 5 МГц не должен был превышать 0.1/16 это примерно равно 0.006 Гц.

Допустимое время переключения частоты колеблется в широких пределах в зависимости от назначения синтезатора. В частности, при использовании синтезатора в связном приемнике на различных частоотах время переключения может быть порядка секунды; при переключении частот здесь допустимы не только скачки фазы, но и полное кратковременное пропадание сигнала. С другой стороны , при использовании цифрового синтезатора частот в адаптивном радиокомплексе в кольце петли фазовой автоподстройки частоты желательно полное отсутствие переходных процессов при переключении частот (нулевое время переключения).

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА Ч.М. - СИГНАЛОВ

Расчет показателей надежности устройства

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия в основном закладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применением правильных способов хранения 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 для стабилизации показателей надежности [8].

В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Для конкретных же объектов и условий эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Применительно к цифровому синтезатору частотно – модулированных сигналов, наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:

- вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки, отказ объекта не возникнет;

- средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки

- заданная наработка (заданное время безотказной работы) - наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций;

- интенсивность отказов - вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после заданного момента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другими словами - это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числу элементов, исправно работающих в данный момент времени.

Оперируя этими понятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведем расчет, приняв следующие допущения:

-отказы случайны и независимы;

-учитываются только внезапные отказы;

-имеет место экспоненциальный закон надежности.

Последнее допущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место только случайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения - закон Пуассона - и вероятность работы в течение времени равна:

(3. 1)

Учитывая то что с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы в изделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг от друга, т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого и приводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяется как произведение значений надежности для отдельных элементов [8]:

(3.2)

С учетом (3.1) получим:

(3.3)

где - интенсивность отказов -го элемента с учетом режима и условий работы.

Учет влияния режима работы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощью поправочного коэффициента - коэффициента эксплуатации и тогда в формуле (3.4) выразится как:

(3.4)

где - интенсивность отказов - го элемента при лабораторных условиях работы и коэффициенте электрической нагрузки .

Для точной оценки нужно учитывать несколько внешних и внутренних факторов: температуру корпусов элементов; относительную влажность; уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д. С этой целью может быть 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 справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде и , как объединенные с и с .

После этого можно определить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия по формуле:

, (3.6)

где - число элементов в группе;

- интенсивность отказа элементов в -ой группе;

- коэффициент эксплуатации элементов в -ой группе;

- общее число групп.

Исходные данные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежности приведены в табл. 3.1 Значения интенсивностей отказов взяты из справочников.

Таблица 3.1 - Справочные и расчетные данные об элементах конструкции

гр.

Наименование

группы

1/ч

1/ч

ч

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

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 данными табл. 3.1 по формуле (3.6) можно определить суммарную интенсивность отказов :

1/час.

Далее найдем среднюю наработку на отказ , применив следующую формулу:

(3.7)

Итак, имеем:

часов.

Вероятность безотказной работы определяется исходя из формулы (3.3), приведенной к следующему виду:

, (3.8)

где время безотказной работы.

Итак, имеем:

Среднее время восстановления определяется последующей формуле [8]:

, (3.9)

где -вероятность отказа элемента i-ой группы;

- случайное время восстановления элемента i-ой группы.

подставив значения в формулу (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, полученные данные удовлетворяют требованиям по надежности, так как при заданном времени непрерывной работы ч проектируемый блок будет работать с вероятностью . При этом он будет иметь среднюю наработку на отказ ч и вероятность восстановления следовательно, дополнительных мер по повышению надежности цифрового синтезатора ч.м. - сигналов не требуется.

Расчет массы изделия

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 и масса изделия;

k>v> – обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами

Vi,Mi – значения установочных объемов и массы i-х элементов конструкции;

Km – обобщенный коэффициент объемной массы изделия;

М' – объемная масса аппарата;

n – общее количество элементов конструкции изделия.

Исходными данными для расчета являются:

    количество элементов в блоке;

    установочная площадь каждого элемента;

    установочный объем каждого элемента;

    установочный вес каждого элемента;

    количество деталей;

    объем блока;

    вес блока;

    количество наименований деталей;

    линейные размеры.

k>v> возьмем равным 0.55. Для прибора можно принять М¢=0.4кг/дм3.

Сведения об установочных размерах элементов и их массе сведены в таблицу 3.2

Таблица 3.2

Значение установочного объема и массы элементов изделия

Наименование 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 всеми элементами конструкции, посчитанный по табличным данным составляет

=2058625мм3

По формуле (4.1.1)определяем ориентировочный объем блока

V=6548000мм3

Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 320х245х150 мм.

По формуле (3.12) определяем ориентировочную массу блока:

М =2.426 кг

В соответствии с ТЗ масса блока должна быть не более 3 кг.

По результатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиям технического задания. Коэффициент использования объема равен 0.55 потому.

Расчет теплового режима

Все компоненты блока сопряжения функционируют в строго ограниченном температурном диапазоне. Выход температуры за предельно допустимые пределы может привести к необратимым структурным изменениям. Высокая надёжность и длительный срок службы ЭВА будут гарантированы, если температура среды внутри конструкции нормальная (15±5°C) и изменяется не более чем на 2°C в час. Для выполнения этого условия необходимо выбрать оптимальную систему охлаждения.

Приведем методику методику расчета.

Исходными данными для выбора охлаждения являются:

    суммарная мощность P, рассеиваемая в конструктивном модуле;

    давление окружающей среды;

    давление внутри блока;

    коэффициент заполнения блока;

    габаритные размеры блока;

    время непрерывной работы t.

Приведем порядок расчета блока в герметичном корпусе:

    рассчитывается поверхность корпуса блока по формуле:

Sк=2[l>1>*l>2>+(l>1>+l>2>)*l>3>],(3.13)

где l>1>,l>2> – горизонтальные размеры корпуса;

l>3> – вертикальный размер корпуса.

    определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле

Sк=2[l>1>*l>2>+(l>1>+l>2>)*l>3>*К>з>], (3.14)

где К>з> – коэффициент заполнения.

    определяется удельная мощность корпуса по формуле:

q>к>=Рз/Sк (3.15)

где Рз – мощность, рассеиваемая нагретой зоной.

4) рассчитывается удельная мощность нагретой зоны

q>з>=Рз/Sз (3.16)

5) находится коэффициент J>1> в зависимости от удельной мощности корпуса блока

J>1>=0.1472*q>к>-0.2962*10-3*q>к>2+0.3127*10-6*q>к>3 (3.17)

    находится коэффициент J>2> в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

J>2>=0.1390*q>з>-0.1223*10-3*q>з>2+0.0698*10-6*q>з>3 (3.18)

    находится коэффициент Кн>1 >в зависимости от давления среды вне корпуса блока :

Кн>1>=0.82+,(3.19)

где Н>1> – величина атмосферного давления вне корпуса.

    находится коэффициент Кн>2 >в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н>2>

Кн>2>=0.8+, (3.20)

9) определяется перегрев корпуса:

J>к>=J>1>*Кн>1>. (3.21)

10) рассчитывается перегрев нагретой зоны:

Jз=Jк+(J>2>–J>1>)*Кн>2>>.> (3.22)

11) определяется средний перегрев воздуха в блоке:

Jв=0.5*(Jк+Jз)(3.23)

12) определяется удельная мощность элемента:

q>эл>=Рэл/Sэл(3.24)

где Рэл – мощность, рассеиваемая элементом, температуру которого требуется определить;

Sэл – площадь поверхности элемента, омываемая воздухом.

13) рассчитывается перегрев поверхности элементов:

Jэл=Jз(а+b*q>эл>/q>з>) (3.25)

14) рассчитывается перегрев окружающей элемент среды:

Jэ-с=Jв(0.75+0.25*q>эл>/q>з>)(3.26)

15) определяется температура корпуса блока:

Тк=Jк+Тс (3.27)

где Тс – температура окружающей среды;

16) определяется температура нагретой зоны:

Тз=Jз+Тс (3.28)

17) определяется температура поверхности элемента:

Тэл=Jэл+Тс(3.29)

18) находится средняя температура воздуха в блоке:

Тв=Jв+Тс(3.30)

19) рассчитывается температура окружающей среды:

Тэ-с=Jэ-с+Тс (3.31)

Расчет конструкции на виброзащищенность

Для того чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчет собственной частоты вибраций платы. В данном случае плата является единственной колебательной системой. Жесткость платы зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.

Печатная плата имеет прямоугольную форму следующих размеров:

axbxh=280 мм x 150 мм x 1.5 мм

При расчете собственной частоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:

плата представляется в виде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;

ЭРЭ на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

плата с элементами принимается за тонкую пластину, так как b/h0,1, толщина платы принимается постоянной, h = const;

материал платы однородный, идеально упругий, изотропный;

возникающие изгибные деформации малы по сравнению с толщиной платы;

при изгибе платы нейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).

Для пластин с четырьмя точками 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 масса платы и элементов, .

Цилиндрическая жесткость платы определяется по формуле:

(3.12)

где - модуль упругости материала платы;

- толщина платы;

- коэффициент Пуассона.

(3.13)

Распределенная по площади масса платы и элементов определяется из выражения:

, (3.14)

где - удельная плотность материала платы;

- масса элементов, установленных на плате, .

, (3.15)

где - масса i - го элемента, установленного на плате, ;

n = 40 - количество элементов, установленных на плате.

Воспользовавшись справочными данными получим
m>э> = 104,210 –3 кг. следовательно,

Подставляя найденные величины в формулу (4.2.1), определим минимальную частоту собственных колебаний платы. Она будет минимальной при , .

В результате механических воздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса. Чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений, нарушения контактов в разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить выполнение условия

(3.16)

где - минимальная частота собственных колебаний платы;

- ускорение свободного падения, g = 9,8м/c2;

- безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

- максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g.

Следовательно,

min 85Гц

Значит, проектируемая плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

Определим эффективность виброзащиты по формуле:

, (3.17)

где - верхняя частота диапазона воздействующих частот, Гц;

- резонансная колебаний печатной платы, Гц.

Подставив значения, получим:

.

Таким образом, можно сказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных воздействий.

3.1 Разработка принципиальных схем синтезатора

Цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов позволяет формировать л.ч.м. – сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

На принципиальной схеме цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов наиболее полно изображены все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. – сигналов

Принципиальная схема цифрового сиртезатора приведена на схеме 003.Э3. В качестве опорного генератора использован стандарт частоты и времени Ч1 – 73, частота которого удваивается при 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 накопителем Н1 – DD10, DD11, а регистр памяти Рг2 с накопителем Н2 – DD8, DD9; цифроаналоговый преобразователь DD12 включает в свой состав также преобразователь кодов. Устройство работает следующим образом. Сигнал опорного генератора (Ч1 - 73) частотой 5 МГц поступает на удвоитель частоты, и на вход 1/DD1 подается сигнал с тактовой частотой fТ = 10 МГц, из которого формируются импульсы формы “меандр”, разнесенные по времени на величину задержки переключения триггеров Шмитта: CLK1, CLK2, CLK3, CLK4, которые подключены к входам синхронизации 2/DD8 – DD11.

По положительному фронту импульса запуска fз запускаются ждущие мультивибраторы, собранные на микросхеме DD2, которые формируют импульсы отрицательной полярности длительностью 1 = 0.333 мкс и 2 = 0.1 мкс. Эти импульсы служат для записи кода начальной частоты во входной регистр первого накопителя. Из управляющей 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 первого накопителя (DD8, DD9), по второму тактовому импульсу происходит установка в “0” его входного регистра и сумма S = Ci + 0 переписывается в регистр второго накопителя (DD10, DD11). После завершения действия импульсов запуска с каждым последующим тактовым импульсом будет происходить изменение результата суммирования в первом накопителе DD8, DD9, который является счетчиком частоты по формуле:

A = Ci + T/Dk

где А – результат суммирования, Ci – код начальной частоты, Т – номер тактового импульса, Dk – код коэффициента деления счетчика.

В приведенной схеме отсутствуют блок ПЗУ1 и счетчик с предварительной установкой Сч, поэтому Dk = 1 и скорость изменения частоты будет постоянной. Во втором накопителе DD10, DD11 выходной код изменяется по формуле:

B = AT = CiT + T*2/ Dk.

Старший разряд 18/DD10 является знаковым и управляется инверсией (L, H) ЦАП – 20, 21/DD12. Если SSGN = 1 – обратный код суммы. На выходе ЦАП формируется аналоговый сигнал с максимальной частотой fc до 2.5 МГц.

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. – сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. – сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты показана на схеме 004.Э3. В качестве опорного генератора исспользуется сигнал стандарта частоты и времени Ч1 – 73 частотой 5 МГц. Блок задержки содержит триггеры Шмитта DD1, ждущие мультивибраторы DD2, логические элементы 2И – НЕ DD3; делитель с переменным коэффициентом деления DD4 служит для задания скорости изменения частоты синтезатора; блок ПЗУ рализован на DD5, DD6; счетчик частоты (синхронный) Сч – DD7 – DD10. Умножитель кодов объединен с накопителем – DD11; преобразователь кодов – DD12 – DD14; цифроаналоговый преобразователь - DD15. Микросхема К1518ВЖ1 представляет собой умножитель аккумулятор, т.е. умножитель кодов со встроенным 35 – разрядным накопителем произведений. Если на вход 52 /DD11 подать логическую “1”, то будет происходить накопление результатов произведения по формуле:

 = 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 и на входы 8 – 23/DD11 – код Yj, которые определяют частотусинтезиркемого сигнала; код коэффициента деления счетчика Dk – на входы 3 - 6/DD4. При поступлении импульса запуска на входы 2, 10/DD2 ждущих мультивибраторов, собраных на элементах DD2.1, DD2.2 и DD3, формируются импульсы записиотрицательной полярности, которые поступают на входы 9/DD7 – DD10 и 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 обновляется по 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 изменения частоты. Цифровой синтезатор с быстрой перестройкой рабочей частоты может быть использован в составе передающих и приемных устройств для повышения помехозащищенности, скрытности и надежности систем к.в.- и у.к.в. – связи.

3.2 Выбор и обоснование элементной базы

При проектировании цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов одним из самых важных этапов является выбор типов элементов, входящих в конструкцию. Правильно выбранная элементная база позволит обеспечить надежное функционирование составных частей и всего изделия в целом; снизить вероятность возникновения помех из-за несогласованности входов одних элементов с выходами других ; получить высокие эксплуатационные характеристики; уменьшить энергопотребление за счет применения элементов, изготовленных по передовым технологиям; добиться лучших массогабаритных показателей; повысить ремонтопригодность аппаратуры; расширить технические возможности разрабатываемой аппаратуры.

В общем случае критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

1) технические параметры ЭРЭ:

- номинальные значения параметров 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.

Дополнительными критериями выбора ЭРЭ являются: надежность, унификация ЭРЭ, масса и габариты, стоимость. Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволит обеспечить стабильную работу на протяжении всего срока службы изделия.

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплутационных параметров радиоэлементов, используемых в разрабатываемом синтезаторе частотно – модулированных сигналов.

Мы имеем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующего типа:

К53-1А - конденсаторы оксидные алюминиевые полярные с фольговыми обкладками. Предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующих токов - интервал температур -20 ...+70 0С;

- относительная влажность при +40 0С до 98 % ;

- давление 6,6 ... 2942 гПа.

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов конденсаторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации устройства.

Мы имеем следующие характеристики используемых резисторов:

МЛТ:

- номинальная мощность 0,125 и 0,25 Вт;

- диапазон номинальных сопротивлений ;

- масса 0,15 г;

- уровень собственных шумов 1, 5 ;

-температура окружающей среды при нормальной электрической нагрузке от -60 до +70 ;

-относительная влажность воздуха при температуре до 98 %;

- пониженное атмосферное давление до 133 Па;

- предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока 200 В;

- минимальная наработка 25000 ч;

- срок сохраняемости 25 лет.

Условия эксплуатации выбранных резисторов совпадают с условиями эксплуатации проектируемого прибора, следовательно эти элементы пригодны для применения.

Если рассматривать выбранные для синтезатора микросхемы, то можно убедиться, что и они полностью подходят к устройству.

Таким образом, применение в измерителе углов смещения современной новейшей базы позволяет получить более высокие показатели компоновки, надёжности, энергопотребления, а следовательно, и снижение температурных режимов, что выгодно как с конструкторской точки зрения, так и с экономической. Применение новой современной базы позволят использовать высокоэффективные техпроцессы.

Не менее важным этапом в проектировании является выбор материалов несущих конструкций и деталей. Однако выбор материала является сложной задачей, так как в большинстве случаев деталь можно изготовить либо из однородного материала, либо из сложной их совокупности.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей, с учетом следующих факторов:

1) Материал определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических воздействий;

2) Материал определяет технологические характеристики детали;

3) От свойств материала зависит точность изготовления детали;

4) Материал влияет на габариты и массу прибора;

5) Материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность.

Исходя из вышеперечисленных факторов, для корпуса цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов выбран материал-дюралюминий Д16. Этот выбор можно объяснить тем, что данный материал удовлетворяет требованиям достаточной прочности и жесткости, а также дает весомый выигрыш в массе по сравнению с другими металлическими материалами.

В качестве материала для печатной платы используем стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой слоистый прессованный материал, пропитанный терсореактивным связующим и облицованный с одной из двух сторон медной электролитической оксидированной или гальваностойкой фольгой. Стеклотекстолит марки СФ -2 - 35-1.5 ГОСТ 10316-78. Толщина материала с фольгой составляет 1.5мм, толщина фольги 35 мкм. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой спресованные слои стеклоткани, пропитанные эпокалфенольной смолой с содержанием смолы 40%, применяется для ОПП и ДПП.

В качестве припоя используется ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Припой представляет собой сплав олова 60% и свинца 40%, применяемый в качестве связующего вещества при пайке ЭРЭ на печатную плату, а также для внутриблочной пайки соединений. Температура плавления припоя ПОС-61 составляет 190 .

После сборки и пайки платы устройства для защиты от влаги и пыли ее защищают с помощью лака УР 231.

Все выше перечисленные качества позволяют разработать высококачественные, конкурентноспособные.

3.3 Предварительная компоновка устройства

Широкое распространение в практике конструирования получила плоская компоновка, когда интегральные микросхемы (ИМС) и электрорадиоэлементы (ЭРЭ) устанавливаются в плоскости платы. Для плоской компоновки характерна малая высота установки ИМС и ЭРЭ по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ, легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный теплоотвод являются основными преимуществами плоской компоновки. Для исключения влияния на схему помех по электропитанию на плату совместно с микросхемами устанавливают развязывающие конденсаторы.

При размещении компонентов на плате реализуемая электронная схема разбивается на функционально связанные группы. Затем производится размещение компонентов каждой группы. Группы компонентов, имеющие наибольшее число внешних связей, размещаются вблизи соединителя. Группа с наибольшим числом связей с уже размещенной на плате группой компонентов располагается рядом и т.д. При размещении стараются обеспечить равномерное распределение масс компонентов по поверхности платы, минимальные длины связей, максимальную помехозащищенность [5]. Руководствуясь выше перечисленными правилами расположим память ближе к регистру памяти, который объединен с накопителем, регистры –ближе к шине, чтоб обеспечить минимальную длину связей данной функциональной группы. ЦАП – ближе к разъему, тем самым максимально уменьшим длину связей, по которым передается цифровой сигнал и избежим излишних помех.

От правильного расположения корпусов микросхем на печатных платах зависят габариты, надежность работы, помехоустойчивость платы. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости печатных плат, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется площадь платы, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатные платы следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта их размещения.

Выбор шага установки микросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки микросхем, температурным режимом работы, сложностью принципиальной электрической схемы и конструктивными параметрами корпуса микросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки ИМС рекомендуется принимать кратным 2.5 мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1.5 мм. В технически обоснованных случаях шаг установки микросхем может быть принят кратным 1.25 мм [6]. Микросхемы на печатных платах располагают линейно-многорядно, однако, допускается их размещение в шахматном порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

В цифровом синтезаторе частотно – модулированных сигналов используются микросхемы со штыревыми выводами. Микросхемы с такими выводами располагают только с одной стороны печатной платы. Это объясняется тем, что монтаж штыревых выводов, как правило, производят в сквозные металлизированные отверстия, причем концы выводов выступают на обратной стороне платы.

Корпуса микросхем на плате удерживаются припаянными выводами. Штыревые выводы удерживают корпус микросхемы достаточно прочно и выдерживают практически любые механические воздействия.

Установку микросхем в корпусах со штыревыми выводами на печатную плату производят с зазором или с прокладкой. Величину зазора рекомендуется выбирать в пределах 1-2 мм. В технически обоснованных случаях можно применять изоляционные прокладки, предварительно приклеивая их к поверхности.

3.4 Разработка, выбор и обоснование конструктивных составляющих синтезатора

В соответствии с техническим заданием на дипломное проектирование цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов представляет собой плату помещенную в корпус. Этот прибор должен позволять формировать л.ч.м. – сигналы и работать в составе л.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Применение печатных плат, позволяет улучшить следующие параметры:

    надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;

    технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;

    плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;

    быстродействие;

    помехозащищенность элементов и схем.

Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполненкак на поверхности, так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).

В качестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т.д.). Проводящий рисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).

В зависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен ряд значений 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 классифицируются на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т.д.

При разработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:

первая:

конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

вторая:

схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметров линий связи;

третья:

теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод;

четвертая:

технологические: выбор метода изготовления, защита;

Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики; от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга.

В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.

Комбинированный метод.

Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 - 0,3 мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.

Конструирование печатных плат осуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокую производительность при конструировании и разработке конструкторской документации.

Особое значение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до несколькихдесятков. Однимииз основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79.ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.

Печатные платы должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних и внутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронного модуля, печатного узла), выясняют те из них, которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости.

При выборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующие факторы:

    возможность выполнения всех коммутационных соединений;

    возможность автоматизации 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 коммутационных соединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочной способности и количества слоев ПП. При выборе типа ПП следует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышенной ремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационные способности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокой стоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.

Исходя из выше изложенного, а также анализируя схему электрическую принципиальную, можно заключить, что плата должна быть двухслойной. Это объясняется тем, что размеры платы не ограничены, число связей между элементами не очень большое. Так как в качестве навесных элементов используются интегральные схемы в корпусах с большим числом близко расположенных выводов, контактные площадки на печатной плате сближаются на столько, 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 будет состоять из двух слоев. В каждом слое печатной платы группы проводников выполняют определенные функции: цепи питания, земли, сигнальные цепи. Введем в конструкцию платы на один слой питания и на второй слой земли. Это позволяет развязывать цепи питания по переменному току, а слой земли служит экраном от электромагнитных помех.

После выбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса - требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунок на основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы). Класс точности определяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактной площадки и другие. Естественно, что выбор определенного класса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы, а также из конструктивно-технологических и других соображений.

Толщину основания печатной платы H>п>, в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и технологическими возможностями металлизации отверстий. Толщина печатной платы также зависит от конструктивных особенностей , а именно конструктивными особенностями разъема в который будет вставляться плата. Зазор между прижимными пружинами в разъеме составляет 1 мм , следовательно для надежного крепления H>п >выберем равной 1,5 мм.

Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы [7]. Так как печатная плата двухслойная, то в качестве материала платы выберем стеклотекстолит СФ2 – 35 – 1,5.

С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются 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 (25-30 мкм) и другие. В нашем случае мы выбрали сплав Розе.

Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и других смол, лаков, эмалей, сухих пленочных резистор [7].

3.5 Выбор и обоснование методов монтажа

Расчет элементов печатного рисунка обычно включает две основные стадии: конструкторско-технологический расчет параметров элементов и расчет электрических параметров. Наравне с электрическими параметрами печатных плат необходимо определить такие конструктивно-технологические параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий на плате до и после металлизации.

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочных характеристик корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из схемы электронного функционального узла, а также перспективности выбранной технологии.

Исходные данные для конструкторско-технологического расчета элементов плат следующие: шаг координатной сетки по ГОСТ 10317-79 и равный 2,5 мм; допуски на отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящих от уровня технологии, материалов и оборудования; установочные характеристики навесных элементов.

Расстояние между центрами двух соседних отверстий на плате (контактных площадок) L условно делят на зоны:

а) контактной площадки;

б) печатного проводника;

в) зазора (между контактными площадками, печатными проводниками и контактными площадками и проводниками);

Понятие «зона печатного элемента» включает не только номинальное значение их размеров и координат, но и допуски на отклонение этих размеров от номинальных значений:

L = D + n T + (n + 1) S < k A (3.5.1)

где D - ширина зоны контактной площадки;

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 = D>к> + 2>т> + n(Т>п>+2>т>)+(n+1)S>min> < kA (3.5.2)

где D>к> - максимальный диаметр контактной площадки;

T>n> - максимальная ширина печатного проводника;

>m> - величина максимального отклонения оси печатного проводника

(или центра контактной площадки) от номинального положения,

определяемая точностью изготовления фотооригинала и размер-

ной стабильностью фотошаблона;

S >min> - предельная величина зазора, при которой еще гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга (S>min>=0.15мм).

Диаметр контактной площадки не может быть меньше величины, обеспечивающей гарантированную ширину металла вокруг просверленного отверстия. С учетом возможного смещения центра отверстия относительно центра контактной площадки:

Dк = Dс + 2Bmi (3.5.3)

где Dс - диаметр зоны сверления с учетом допусков на смещение центра

отверстия;

В>min> - минимальная ширина гарантированного пояска, принимаемая для

всех типов плат равной 0,1...0,15 мм.

Величина зоны сверления D>с> складывается из диаметра отверстия и допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (в случае ДПП), а также точность фотошаблонов:

D>с>= d>o>+2(>т>+>с>+>o >) (3.5.4)

где d>o> - диаметр отверстия до металлизации;

>с> - величина смещения фотошаблонов ДПП. Для всех типов плат со-

временная технология гарантирует не хуже >с> = 0,05 мм,

>o> - величина отклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностью оборудования и составляет при ручном сверлении

+0,2 мм, автоматизированном +0,05 мм.

Подставляя (3.6.4) в (3.6.3) имеем:

D>к>=d>o>+2В>min>+2( >т>+ >с>+ >o >) (3.5.5)

Выводы ИМС и других навесных радиоэлементов вставляют в металлизированные отверстия печатной платы. Для этого необходимо, чтобы диаметр отверстия после металлизации был равен:

d>m>=d>в>+2>у> (3.5.6)

где d>в> - эквивалентный диаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов,

контактов разъема;

>у> - величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия

и их распайку (>у>> >= 0.07-0.15 мм ).

С учетом толщины слоя металлизации стенок отверстий:

d>o>=d>m>+2>м> (3.5.7)

где >м> - толщина слоя металла на стенках отверстия (>м>> >= 0.05 - 0.07 мм ).

Подставим выражения (3.6.5), (3.6.6), (3.6.7) в (3.6.2), получим:

L=d>в>+nТ>п>+(n+1)S>min>+2B>min>+2[>у>+>м>+>o>+>с>+(n+2)>т>] < kA(4.5.8)

Анализ выражения дает следующее:

    Выражение (3.5.8) можно использовать не только для определения расстояния между отверстиями L, но и для расчетов, например для оценки ширины T>п>, числа печатных проводников - n, которые можно проложить между двумя соседними выводами ИМС, шага трассировки печатных плат, определяемого выражением:

t>тр>=T>п>+2>т>+S (3.5.9)

2. Уравнение (3.5.8) позволяет также судить о влиянии каждого его члена на конструктивные параметры печатной платы. Поскольку допуски и предельные значения некоторых параметров зависят в первую очередь от уровня технологии, качества материалов и технологического оборудования, то выражение (3.5.8) позволяет формулировать требования к технологии, оборудованию и материалам.

3. Выражение (3.5.8) подтверждает возможность создание технологических запасов величин T>п>, S>min> и В>min>. Источником этих запасов является разность kA-L запасов между расчетными параметрами печатной платы, которая позволяет снизить брак при изготовлении печатных плат, повысить надежность и снизить требования к технологии. Величины, входящие в выражения (3.5.8) зависят от уровня технологии и культуры производства, состояния и параметров технологического оборудования. Эти параметры зависят от технологического уровня производства.

На практике в современных печатных платах применяют для ДПП шаг трассировки равный 1.25 мм. Размеры отверстий под выводы ИМС, навесных радиоэлементов, разъемов, а также переходных отверстий, как правило, одинаковы. Если принять, что максимальный диаметр вывода любого радиоэлемента d>в>=0.6 мм, то размеры отверстий до металлизации d>o>=0.8 мм, после металлизации d>m>=0.7+0.1 мм. При этом минимальные размеры контактных площадок для ДПП D>к>=1.2 мм. исходя из этого между двумя контактными площадками можно провести не более одного проводника, что обеспечит зазор между проводниками и контактными площадками 0,5 мм.

Конструкторско-технологический расчет ПП может производиться с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления и т.п., причем должны выдерживаться граничные значения основных параметров печатного монтажа для выбранного класса точности. На основе конструкторско-технологического расчета определяются: номинальные диаметры переходного и монтажного отверстий; диаметр контактной площадки; ширина проводников; расстояние между проводником и монтажным отверстием. Номинальные значения диаметра монтажного отверстия определяются по формуле:

d= d>э>+ d>н.о> , (3.5.10)

где d>э> - максимальное значение 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 при условии качественной

металлизации отверстия);

d>н.о> - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия. Диаметры монтажных отверстий выбирают так, чтобы разность между минимальным значением диаметра отверстия была в пределах 0.1-0.5 мм (при автоматизированной установке ИЭТ - 0.4-0.5мм). Выбор значений диаметров осуществляется из ряда в диапазоне 0.4-3 мм с шагом 0.1 мм (ГОСТ 10317-79).

Номинальное значение ширины проводника t рассчитывается по формуле:

t = t>м.д>+ t>но>, (3.5.11)

где t>м.д> - минимально допустимая ширина проводника, рассчитывают в

зависимости от токовой нагрузки (см. далее);

Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка устанавливают в зависимости от электрических и конструкторско-технологических требований. Минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка Sм.д выбирается из расчета обеспечения электрической прочности изоляции, а наименьшее номинальное расстояние определяют по формуле:

S= S>м.д>+ t>во> , (3.5.12)

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле:

l=(D1+D2)/2+t n+S(n+1)+Tl, (3.5.13)

где n - количество проводников;

Tl - позиционный допуск расположения печатного проводника

(Tl=0.1мм).

Разработка печатной платы устройства с использованием САПР

Система PCAD 8.5 позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементов принципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме.

Программный комплекс PCAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозного проектирования ПП электронной аппаратуры. В ее состав входят следующие программы [7]:

Schematic Editor – графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы;

Symbol Editor – графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;

PCB Editor – графический ввод и редактирование конструктивов ПП, автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;

Part Editor – графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок.

Графический редактор принципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: Schematic Editor и Symbol Editor. После загрузки графического редактора экран дисплея форматируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд, предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна и внизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенные справа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбора основной команды.

В схемном графическом редакторе полная информация о чертеже заносится в 18слоев, устанавливаемых по умолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не вся имеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слоях выводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могут быть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний: OFF – слой невидим и недоступен, ON – слой видим но недоступен, ABL – слой видим и может стать активным.

Также отличительной особенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двух частей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевое слово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибута представляет собой последовательность чисел или текстовых переменных, разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенства становятся невидимыми на экране.

При использовании атрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можно использовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическое присвоение имени цепи и др [7].

Для дискретных компонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имя дискретного компонента не слое DEVICE не наносится. Номера выводов по команде Enter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.

Для резисторов дополнительно следует указать атрибут RVALUE=<номинал>. Он необходим для диагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем с открытым коллектором.

Для дискретных компонентов целесообразно создавать два УГО: для вертикального и горизонтального расположения на схеме.

Основным инструментом при автоматической трассировке ПП в пакете PCAD является файл стратегии. Поэтому опишем некоторые его основные установки для объяснения нашего способа разводки.

После выбора пункта Routing Parameters в основном меню программы Autorouter на экране появится меню, в котором можно устанавливать параметры.

Приведем основные из них:

- первоначально устанавливаем метрическую систему измерения, т.к. все наши элементы рисовались в ней;

- устанавливаем основную координатную сетку шагом 1,25 мм, что соответствует технологическим требованиям;

- устанавливаем количество слоев для трассировки - четыре;

- устанавливаем тип трассировки – наиболее целесообразным является тип Steiner, которая позволяет выполнять Т-образные соединения и другие соединения, которые минимизируют расстояния между точками;

- устанавливаем порядок трассировки – по рекомендациям авторов ставим порядок Short-Long, т.е. сначала будут трассироваться короткие цепи, а затем – длинные. Это дает меньшее количество не разведенных цепей;

- на первоначальном этапе произведем отключение диагональной трассировки, т.к. она может дать несоблюдение допустимых зазоров, однако после первого этапа трассировки окажется, что зазоры соблюдаются, то можно установить Diagonal Routing и повторить трассировку, что, возможно, даст улучшение;

- проведем включение режима минимизации количества переходных отверстий, сделав установку Via minimization;

- установим режим сглаживания углов Perform Beveling. В этом случае будет производиться замена прямоугольных изгибов проводников, где это возможно на изгибы под углом 45°. Установим здесь параметр During+After, т.к. он наиболее эффективный;

- установим параметр Jog Elimination который осуществляет ликвидацию выступов печатных проводников. Процедура заключается в том, что: 1. Ликвидируются выступы, остающиеся после перемещения переходных отверстий; 2. Два или более сегмента проводника заменяются по возможности одним сегментом.

На этом заканчивается установка основных параметров трассировки, и переходим к установке дополнительных параметров.

Войдя в режим Detailed Routing Parameters, у нас есть возможность произвести следующие установки:

- установим тип переходных отверстий (Via Type) Through который позволит создавать сквозные переходные отверстия;

- далее необходимо установить параметр Via Sites который определяет размещение переходных отверстий. Произведем установку All Grid Points, что предоставит возможность располагать переходные отверстия во всех точках координатной сетки;

- разрешим размещение переходных отверстий на всей плате, произведя установку в пункте Via Lattice Region параметра Entire Board;

- установим размеры области поиска пути для трассы в пункте Route Search Area Size. Следуя указаниям авторов, установим в этом пункте значение 3;

- определим число основных проходов алгоритма “лабиринт”– Number of Maze Router Passes. В связи с тем, что уже на третьем проходе размер области поиска увеличен в 4 раза, то установим количество проходов равное 3;

- произведем открытие всей площади платы для трассировки, на последнем проходе установив параметр Full Board;

- согласно технологическим требованиям и, исходя из коэффициента заполнения, установим минимальное расстояние трасс от края платы равное 0,5;

- в следующем окне установим только параметр Even Distribution, который позволит равномерно распределять проводники на всех парах слоев. При отсутствии этой установки, будет поставлено значительно больше переходных отверстий, и проводники будут располагаться неравномерно.

Перейдем к установке параметров алгоритма Rip-Up. Этот параметр позволяет управлять наиболее мощным средством программы.

Произведем установку следующих пунктов:

- установим количество проходов каждого алгоритма трассировки. Пункт Normal трогать не будем, т.к. там уже находится значение установленное ранее. В пункте Rip-Up установим количество проходов равное 10. В пункте Optimize установим количество попыток переразвести связи равное 10;

- включим режим уплотнения трасс Trace Hugging, что дает нам уплотнение трасс и экономию пространства на ПП;

- отключим режим Penalize Corners уменьшающий количество изгибов проводника, т.к. он вступает в противоречие с предыдущим режимом.

Остальные установки оставим без изменений.

Произведем определение контактных площадок. Этим пунктом мы зададим размет и форму контактных площадок.

В соответствии с рассчитанными ранее параметрами площадок под контакты и переходные отверстия произведем установки. Так же надо установить отключение проводимости во внутреннем слое и установить расположение контактных площадок в узлах координатной сетки.

Определим правила прокладки проводников.

В этом пункте алгоритма воспользуемся ранее рассчитанными параметрами проводников и внесли их в данный пункт.

Определим классы цепей.

Этот раздел позволяет задать определенные цепи, которые будут разводиться особым способом.

Здесь осуществляется ввод параметров цепей питания и земли. Установим для этих цепей высокий приоритет.

Произведем описание слоев.

В этом пункте можно задать количество трассируемых слоев отличных от общего количества слоев ПП, задать предпочтительное направление трассировки для каждого из трассируемых слоев.

Далее проведем заполнение таблицы слоев, в которой каждому слою укажем направление разводки.

Перейдем к конструктору контактных площадок. В данном пункте произведем только установку имен файлов входной базы данных ПП, входной файл стратегии трассировки и имя проекта. От внесения изменений можно отказаться, нажав Exit.

Таким образом, мы провели конфигурирование файла стратегии. Оттрассировав плату по данной стратегии, мы получим плату соответствующую нашим расчетным данным.

После того, как мы развели плату, необходимо оформить ее как чертеж в соответствии с требованиями [6]. Система PCAD не позволяет полностью провести оформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог прочитать чертежи слоев и печатной платы преобразуем файлы с расширением “.pcb” в файлы формата “.dxf”. сделать это можно воспользовавшись функцией PCAD.

После создания базы данных принципиальной электрической схемы целесообразно с помощью программы Electrical Rules Check (PC-Erc) выявить синтаксические ошибки, исправить их и затем приступить к моделированию или разработке ПП.

Выходным файлом программы PC-Erc служит файл списка электрических связей (.nlt) или (.xnl). Результаты проверки заносятся в текстовый файл с расширением .erc. Программа вызывается в разделе Schematic Tools.

В появившемся меню необходимо установить контроль всех параметров на наличие ошибок.

В выходном файле приводится список количества ошибок каждого вида и их подробное описание:

Floating Pins – неподключенные связи. Это связано с тем, что в компонентах задействованы не все выводы;

Nets With One or No Connections – это связано с тем, что при проверке не учитывались атрибуты компонентов (PWGD);

Nets With No input/output Pins – цепи которые не соединены с входами/выходами. Связано с наличием в схеме аналоговых элементов;

Nets With No Pull-Up Resistor – цепи подключенные к “открытому коллектору”;

Components With All Input Pins Tied to Gather – компоненты у которых соединяются входы

После проведения трассировки ПП целесообразно провести сравнение двух списков электрических связей с целью выявления в них различий с помощью программы Netlist Comparison. Среди предложенных способов проверки, целесообразнее выбрать сравнение списка связей, один из которых извлечен из файла .sch, а другой – из файла .pcb [6].

Выходной файл содержит следующую 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 не согласуются с цепями другого списка;

Number of Spare (Parts) – общее количество компонентов которые не соединяются ни с одной цепью в каждом списке;

Number of Floating Nets – общее количество цепей которые не соединяются ни с одним компонентом в каждом списке.

После этого приводится полная информация о сравниваемых списках.

Теперь осуществим проверку платы на соответствие ее требуемому классу точности [6].

Утилита Design Rules Check (PC-DRC) проверяет разведенную базу данных ПП и выявляет не разведенные проводники, нарушение технологических требований к проектированию 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. Для создания нового правила следует выбрать команду ADD, ввести имя правила и затем задать минимальные размеры и зазоры для компонентов.

После выполнения утилита создает файл с расширением .drc, в котором будет отчет по каждому из проверяемых слоев. Плата подходит по технологическим требованиям, если в процессе проверки не было найдено ни одной ошибки.

3.6 Защита конструкции синтезатора от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов

Защита конструкции проектируемого устройства от внешней среды

В процессе эксплуатации ЭВА под влиянием внешней среды происходит разрушение металлов и сплавов. Это явление называется коррозией. Оно заключается в окислении металла и превращении его в соответствующее химическое соединение.

Для защиты металлов конструкции от коррозии, получения требуемой декоративной отделки или придания поверхностному слою необходимых свойств применяются различные виды покрытий [12].

Покрытия подразделяются по назначению на три группы:

    Защитные

    защитно-декоративные

    специальные

Защитные покрытия предназначаются для защиты основного материала деталей от коррозии и других процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия используются для защиты от вредного влияния окружающей среды деталей, требующих красивой внешней отделки.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают основной материал деталей от влияния особых сред.

В зависимости от способа получения покрытия и материала различают металлические и неметаллические покрытия.

К металлическим относятся следующие покрытия: гальванические, нанесенные горячим способом, диффузионные и металлические на диэлектриках.

К неметаллическим относятся покрытия эмалями, лаками, грунтовками. К ним же можно отнести и противокоррозионные покрытия пластмассами.

Покрытия выбираются в зависимости от функционального назначения деталей, материала, способа изготовления и условий дальнейшей эксплуатации.

Специальные покрытия обладают следующими свойствами: улучшение светопоглащающей или отражательной способности поверхности, улучшение электропроводности, а также многими другими.

Гальванические покрытия представляют собой пленки, осаждаемые на металле при выделении из растворов солей металлов под действием электрического тока. Вследствие этого, деталь покрывается чистыми металлами и сплавами.

Химическое покрытие представляет пленку определенного химического состава, которая образуется на поверхности металла в результате действия на него химических реагентов. Наибольшее распространение получили окисные и фосфатные пленки.

Лакокрасочные покрытия основаны на образовании пленки из органического вещества и пигмента, определяющего цвет покрытия. Эти покрытия, нанесенные на поверхность металла в виде одного или нескольких слоев эмали или лака, после высыхания образуют защитно-декоративные непрерывные пленки. Выбор лакокрасочного покрытия определяется условиями эксплуатации, материалом покрываемого изделия, качеством и цветом его поверхности, требуемой точности покрытия, допустимой температурой сушки изделия.

Исходя из вышеуказанных требований и разновидности покрытия можно сделать вывод о том, что для нашего устройства, в качестве защитного покрытия можно выбрать лакокрасочное покрытие лаком УР-231 ГОСТ 9754-76. Оно применяется для деталей, эксплуатируемых на открытом воздухе умеренного климата, а также в промышленной атмосфере.

Проблема обеспечения электрической прочности ЭВА, особенно актуальна для элементов в интегральном исполнении и печатных плат, где зазоры между токоведущими дорожками малы и напряженность электрического поля может достигать больших значений при небольших напряжениях. Кроме того, пробивное напряжение снижается при повышении температуры диэлектрика, при сорбции влаги пылью и полимерными материалами.

Явление образования, под действием электрического поля проводящего канала в диэлектрике, называется электрическим пробоем. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему, возможен пробой по поверхности в окружающей среде. напряжение такого пробоя зависит от природы окружающей диэлектрик Среды, содержания влаги, формы проводников, наличия загрязнения на поверхности диэлектрика и наличия веществ, способных поглощать влагу (например, разнообразные пыли). Для повышения пробивного напряжения платы покрывают лаком, исключают острые углы при трассировке печатных проводников, производят сушку плат перед нанесением лака, следят за содержанием пыли и влаги в газовой среде технологических помещений, увеличивают пробивной промежуток благодаря установке дополнительных ребер (высоковольтных изоляторов).

Обеспечение электрической прочности тесно связано с проблемой влагозащиты. На выбор способа влагозащиты большое влияние оказывает объем производства.

Расчет конструкции на виброзащищенность

Для того чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчет собственной частоты вибраций платы. В данном случае плата является единственной колебательной системой. Жесткость платы зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.

Печатная плата имеет прямоугольную форму следующих размеров:

axbxh=280 мм x 150 мм x 1.5 мм

При расчете собственной частоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:

плата представляется в виде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;

ЭРЭ на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

плата с элементами принимается за тонкую пластину, так как b/h0,1, толщина платы принимается постоянной, h = const;

материал платы однородный, идеально упругий, изотропный;

возникающие изгибные деформации малы по сравнению с толщиной платы;

при изгибе платы нейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).

Для пластин с четырьмя точками 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 масса платы и элементов, .

Цилиндрическая жесткость платы определяется по формуле:

(6.2.2)

где - модуль упругости материала платы;

- толщина платы;

- коэффициент Пуассона.

(6.2.3)

Распределенная по площади масса платы и элементов определяется из выражения:

, (6.2.4)

где - удельная плотность материала платы;

- масса элементов, установленных на плате, .

, (6.2.5)

где - масса i - го элемента, установленного на плате, ;

n = 40 - количество элементов, установленных на плате.

Воспользовавшись справочными данными получим m>э> = 104,210 –3 кг. следовательно,

Подставляя найденные величины в формулу (6.2.1), определим минимальную частоту собственных колебаний платы. Она будет минимальной при , .

В результате механических воздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса.

Чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений, нарушения контактов в разъемах.

Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить выполнение условия:

(6.2.6)

где - минимальная частота собственных колебаний платы;

- ускорение свободного падения, g = 9,8м/c2;

- безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

- максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g.

Следовательно,

min 85Гц

Значит, проектируемая плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

Определим эффективность виброзащиты по формуле:

, (6.2.7)

где - верхняя частота диапазона воздействующих частот, Гц;

- резонансная колебаний печатной платы, Гц.

Подставив значения, получим:

.

Таким образом, можно сказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных.

3.7 Описание уточненного окончательного варианта компоновки и конструкции синтезатора

Компоновка блока - размещение на плоскости и в пространстве различных компонентов (радиодеталей, микросхем, блоков, приборов) ЭВА - одна из важнейших задач при конструировании, поэтому очень важно выполнить рациональную компоновку элементов на самых ранних стадиях разработки ЭВА.

Основная задача, решаемая при компоновке ЭВА - это правильный выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры. На практике задача компоновки ЭВА чаще всего решается при использовании готовых элементов с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены 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 макета оценить возможный характер и величину паразитных связей, рассчитать тепловые режимы узла и его элементов, выполнить расчет надежности с учетом не только режимов работы схемы (электрические коэффициенты перегрузки), но и с учетом рабочих температур элементов. Методы компоновки элементов ЭВА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные (аналитические) и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел.

Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели. Основой для всех является рассмотрение общих аналитических зависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем с численными значениями различных компоновочных характеристик: геометрическими размерами элементов, их объемами, весом, энергопотреблением и т.п. Зная соответствующие компоновочные характеристики элементов изделия и законы их суммирования, можно вычислить компоновочные характеристики всего изделия и его частей. Элементы, которые содержит 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, занимаемая компонентами с учетом припусков вокруг каждого элемента, обусловленных шириной контактных площадок, равна – 13400 мм2. С учетом коэффициента заполнения площадь платы равна: 26800 мм2. При проектировании печатного узла одним из наиболее важных критериев оптимизации является правильная компоновка, т.е. максимальное использование площади печатной платы при минимально возможных ее размерах.

Исходя из этого, выбираем площадь платы равную 280х150мм.

4 РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИНТЕЗАТОРА

Типовая структура технологического процесса изготовления модуля включает следующие операции: входной контроль элементов и печатных плат, подготовка к монтажу, установка комплектующих элементов на плату, нанесение флюса и его сушка, пайка, очистка от остатков флюса, контрольно - регулировочные работы, технологическая тренировка, маркировка, герметизация и приемо-сдаточные испытания. Сборка осуществляется согласно ГОСТ 23887-79.

Входной контроль — это технологический процесс проверки поступающих на завод ЭРЭ, ИМС и ПП по параметрам, определяющим их работоспособность и надежность перед включением этих элементов в производство. Входной контроль комплектующих элементов может быть как 100 % так и выборочным.

Подготовка ЭРЭ и ИМС включает распаковку элементов, выпрямление, зачистку, формовку, обрезку и лужение выводов, размещение элементов в технологической таре. Для проведения подготовительных операций разработано много типов технологического оборудования и оснастки. В условиях мелкосерийного производства подготовка осуществляется пооперационно с ручной подачей элементов.

Установка элементов на печатные платы в зависимости от характера производства может выполняться вручную, механизированным и автоматизированными способами.

Нанесение флюса на плату может осуществляться различными способами (кистью, погружением, потягиванием, распылением, вращающимися щетками, пенное и волной). Нанесенный слой флюса перед пайкой просушивается при температуре 353…375 К, а плата подогревается.

Групповая пайка элементов со штыревыми выводами производится волной припоя на автоматизированных установках модульного типа.

Процесс групповой пайки начинаются с подготовки поверхности ПП, которая заключается в зачистке мест пайки и обезжиривании. Зачистку выполняют эластичными кругами с абразивным порошком или металлическими щетками. Затем поверхность платы обезжиривают в растворе спирта с бензином и обдувают воздухом. Защита участков платы не подлежащих пайке, осуществляется маской из бумажной ленты, пропитанной костным клеем. Маску приклеивают к плате так, чтобы места пайки не выходили за пределы отверстий в маске. Вместо бумажной маски можно применять слой краски, наносимой через сетчатый трафарет. Краска должна противостоять непосредственному воздействию расплавленного припоя, температура которого доходит до 260 ° С.

Следующим этапом является нанесение флюса и подогрев платы, который удаляет влагу и уменьшает термический удар в момент погружения платы в расплавленный припой.

Пайка волной представляет собой процесс, при котором нагрев спаиваемых материалов, помещенных над ванной, и подача припоя к месту соединения осуществляется стоячей волной припоя возбуждаемой в ванне. При пайке волной припоя устраняется возможность быстрого окисления припоя и температурных деформаций платы.

Заключительной операцией групповой пайки является удаление маски. Для этого ПП погружают на 0.8 … 0.9 ее толщины в ванну с горячей водой ( t=40 ° С) и выдерживают до тех пор, пока она не отклеится (2…3 мин). Затем плату обдувают горячим воздухом до полного высыхания.

Удаление остатков водорастворимых флюсов осуществляется путем промывки плат в проточной горячей воде с использованием мягких щеток или кистей. Следы канифольных флюсов удаляют промывкой в течении 0.5 … 1 мин, в таких растворителях, как спирт, смесь бензина и спирта (1:1), трихлорэтилен и др.

Выходной контроль можно условно разделить на три последовательных этапа:

первый:

визуальный контроль правильности сборки и качества паяных соединений;

второй:

контроль правильности монтажа и поиск неисправностей;

третий:

функциональный контроль.

Ориентировочный технологический процесс сборки модуля приведен в таб. 4.1.

Таблица 4.1. – Tехнологический процесс сборки модуля

№

операции

Наименование и содержание.

Оборудование и приспособления.

Входной контроль микросхем и ПП.

Лупа 10X , стенд.

Защита маркировки.

Вытяжной шкаф, ванна.

Формовка и обрезка выводов.

Приспособление.

Лужение выводов. Флюсовать выводы погружением во флюс ФСКП. Лудить выводы припоем ПОС-61.

Ванна.

Подготовка ПП к сборке. Лудить контактные площадки.

Ванна для обезжиривания.

Установка элементов на ПП.

Верстак, стойки технологические.

Пайка выводов элементов к ПП.

Контроль электрических параметров. Настройка.

Стенд, комплект измерительных приборов.

Влагозащита. Покрытие лаком УР-23Т или Э-4100.

Контроль электрических параметров.

4.1 Разработка технологической схемы сборки

Так как в ТЗ задано разработать технологическую схему сборки, то будет правильным уделить ей внимание и в записке.

Технологическим процессом сборки называют совокупность операций, в результате которых детали соединяются в сборочные единицы, блоки, стойки, системы и изделия. Простейшим сборочно-монтажным элементом является деталь, которая согласно ГОСТ 2101-68 характеризуется отсутствием разъёмных и неразъёмных соединений.

Проектирование технологических процессов осуществляется для изделий конструкция которых отработана на технологичность, и включает в общем случае комплекс взаимосвязанных работ:

- разработка технологической схемы общей сборки;

- разработка технологической схемы сборки блоков и сборочных единиц;

- анализ типовых технологических процессов и определение последовательности и содержания технологических операций (маршрут сборки);

- выбор технологического оборудования и оптимального варианта технологического процесса по себестоимости или производительности;

- выбор или заказ средств технологического оснащения;

- назначение и расчёт режимов сборки;

- нормирование операций технологического процесса;

- определение профессий и квалификации исполнителей;

- выбор средств автоматизации и механизации операций технологического процесса и внутрицеховых средств транспортирования;

- организация производственных участков, составление планировок;

- оформление рабочей документации на технологические процессы.

Технологическая схема сборки изделия является одним из основных документов, составляемых при разработке технологического процесса сборки. Расчленение изделия на сборочные элементы проводят в соответствии со схемой сборочного состава, при разработке которой руководствуются следующими принципами:

- схема составляется независимо от программы выпуска изделия на основе сборочных чертежей, электрической и кинематической схем изделия;

- сборочные единицы образуются при условии независимости их сборки, транспортировки и контроля;

- минимальное число деталей, необходимое для образования сборочной единицы первой ступени сборки, должно быть равно двум;

- минимальное число деталей, присоединяемых к сборочной единице данной группы для образования сборочного элемента следующей ступени, должно быть равно единице;

- схема сборочного состава строится при условии образовании наибольшего числа сборочных единиц;

- схема должна обладать свойством непрерывности, т.е. каждая последующая ступень сборки не может быть осуществлена без предыдущей.

Различают две основных технологических схемы сборки: веерного типа и с базовой деталью. Первая из них показывает ступени сборки и из каких деталей они образуются. Достоинством такой схемы является её простота и наглядность, но она не отражает последовательности сборки.

Более наглядной и отражающей последовательности процесса сборки является схема с базовой деталью. В качестве базовой детали выбираются платы, панели, шасси или другие детали, с которых начинается сборка. Направление движения деталей и узлов на схемах показывается стрелками.

При построении технологической схемы сборки каждую деталь изображают прямоугольником, в котором необходимо указывать номер детали, её наименование, а так же их количество, необходимое для сборки.

Допускается изображение крепёжных деталей кружочками, в которых указывается позиция по сборочному чертежу. Сборочные единицы изображаются в виде прямоугольников с указаниями ступени сборки и номера узла.

На технологических схемах сборки наносятся указания по выполнению сборочных операций. Технологические указания необходимо помещать в прямоугольник, ограниченный штриховой линией, а место его выполнения указывается наклонной стрелкой.

Базовой деталью является плата. Для определения количества устанавливаемых ЭРЭ и ИМС на плату в ходе выполнения сборочных операций необходим предварительный расчёт ритма сборки:

, мин/шт., (4.9)

где - действительный фонд времени за плановый период.

- программа выпуска.

Для разрабатываемого устройства плановый период - один месяц. Тогда ритм сборки будет равен:

,мин/шт.

С учетом того, что производство цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов не является поточным и ритм сборки равен 122 мин., рациональной границей дифференциации по операциям определяются следующими условиями:

- однородностью выполняемых работ;

- получением готовой системы поверхностей или сборочного элемента;

- рациональным применением оборудования, используемого в производстве;

- приоритетом сборки малогабаритных деталей и пассивных электрорадиоэлементов над активными;

С учетом вышеперечисленных требований составляем технологическую схему сборки. Технологическая схема сборки цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов приведена на чертеже.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

В данном дипломном проекте спроектирован цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов, который предназначен для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в составе л.ч.м. - ионозонда.

Предполагаемый объём выпуска новой продукции устанавливается на основе заказов потребителей, выявленного в процессе изучения, рынка спроса, с учётом возможностей и сроков развёртывания производства, материально-технического обеспечения ресурсами всех видов (оборудование, кадры, материалы). Выпуск изделия может носить мелкосерийный характер. Исходя из этого, предполагаем физический объём выпуска 500 штук в год. При эффективном функционировании предприятия возможно производство объекта на протяжении нескольких лет. В качестве расчётного периода выберем срок 3 года [10].

5.1 Определение себестоимости товара и рыночной цены проектируемого изделия

Одним из важнейших показателей, характеризующих изделие как объект производства, является его себестоимость. Она включает сумму затрат на производство и реализацию продукции.

По способу отнесения затрат на себестоимость продукции они группируются на прямые и косвенные. Прямые – это затраты, непосредственно связанные с изготовлением определённой продукции и относимые на её отдельные виды. К прямым статьям относятся такие затраты как: сырьё и основные материалы (за вычетом отходов); комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты; основная заработная плата производственных работников [10].

По способу отнесения затрат на себестоимость продукции они группируются на прямые и косвенные. Прямые – это затраты, непосредственно связанные с изготовлением определённой продукции и относимые на её отдельные виды. К прямым статьям относятся такие затраты как: сырьё и основные материалы (за вычетом отходов); комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты; основная заработная плата производственных работников.

Косвенные – это затраты которые не могут быть прямо отнесены на себестоимость продукции и рассчитываются по нормативам, установленным в процентах либо к основной заработной плате производственных работников, либо к производственной себестоимости продукции [11].

Расчёт себестоимости единицы проектируемой техники (С) производится по всем статьям затрат в соответствии с "Основными положениями по планированию, учёту, калькулированию себестоимости на промышленных предприятиях".

Расчет будем выполнять по статьям затрат. Для этого необходимо определить затраты на материалы, которые используются при изготовлении модуля питания. Затраты на материалы, используемые при изготовлении модуля, рассчитываются по следующей формуле:

, руб, (5.1)

где – килограмм i-го материала;

– коэффициент, норма расхода материала на одно изделие;

– цена за единицу, с учётом транспортно-заготовительных расходов.

Расчет затрат на материалы, используемые при изготовлении электронного блока весов, приведён в таблице – 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 рассчитать по формуле:

, руб, (5.2)

где: – количество i-ых полуфабрикатов и комплектующих изделий, необходимых для сборки единицы изготавливаемой продукции;

– оптовая цена i-го полуфабриката, комплектующего изделия.

– коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы.

Результаты расчёта затрат на комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты приведены в таблице – 5.2.

Таблица 5.2 – Расчёт затрат 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 производственных работников" определяется по формуле [11]:

, руб, (5.3)

где: – часовая тарифная ставка, соответствующая разряду работы на i-ой операции, руб;

– норма времени на выполнение i-ой операции, мин;

– коэффициент премий.

Расчет основной заработной платы основных производственных рабочих приведен в таблице – 5.3.

Таблица 5.3 - Расчет основной заработной платы основных производственных рабочих.

Наименование

Норма времени t>шт> мин/шт

Кол-во эл-ов,шт.

Раз-ряд работ

Часовая тарифная ставкаТ>с>, 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 расчета себестоимости и отпускной цены единицы изделия приведены в таблице – 5.4.

Таблица 5.4 - 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

Р>а>

7200

Р>а> = А/N>t>

Производственная себестоимость

76283.42

С>пр> = Р>м> + Р>к> + З>о> + З>д> + Р>соц> + Р>чн> + Р>из> + Р>обп> + Р>обх> +Р>пр> + Р>а>

11. Коммерческие расходы

2288.5

= 3%

Полная себестоимость

78571.92

С>п> = С>пр> + Р>ком>

12. Плановая прибыль на единицу продукции

27500.17

= 35%

Оптовая цена продукции

.

106072.07

Ц>опт> = С>п> + П>ед>

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 = С>п>+П>ед>+О>сф>+О>сх>

15. Налог на добавленную стоимость (20 % от Ц*)

22089.726

= 20%

Отпуская (свободная) цена

132538.35

Ц>отп> = С>п >+ П>ед >+ О>сф >+ О>сх >+ НДС

Итак, в результате произведенных расчетов себестоимости и отпускной цены единицы продукции, имеем:

-отпускная цена синтезатора ч.м. - сигналов: Ц>отп> = 132538.35 руб.

-себестоимость синтезатора ч.м. - сигналов: С>п> = 78571.92 руб.

5.2 Расчет сметной стоимости НИОКР

Смета затрат на проведение научно-исследовательских и опытно конструкторских работ рассчитывается по следующим статьям:

-материалы и комплектующие;

-расходы на оплату труда ;

-отчисления в фонд социальной защиты;

-расходы на служебные командировки;

-услуги сторонних организаций;

-прочие прямые расходы;

-налоги включаемые в себестоимость;

-плановая ( нормативная ) прибыль;

-добавленная стоимость;

-налог на добавленную стоимость;

-отчисления на содержание ведомственного жилого фонда и аграрный налог.

Расчет сметной стоимости НИОКР приведен в таблице – 5.5.

Таблица 5.5 - .Расчет стоимости 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 основной заработной платы участников НИОКР приведен в таблице – 5.6.

Таблица 5.6 - 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 на НИОКР приведена в таблице – 5.7.

Таблица 5.7 - Смета затрат и договорная цена разработки.

Статьи затрат

Условное обозначение

Значение, руб

Примечание

Материалы и комплектующие

Р>м>

29085

Таблица

Основная зарплата

З>о>

490649.2

Таблица

Дополнительная зарплата

З>д>

98129.8

= 20%

Основная и дополнительная зарплата прочих категорий работ.

З>ПК>

4710.2

= 0,8%

Отчисления органам социальной защиты

Р>соц>

2119.6

= 0,36%

Амортизация

Р>из>

58877.9

= 12%

Прочие расходы

Р>пр>

9812.98

= 2%

Себестоимость разработки

С>пр>

688674.5

С>пр> = Р>м> + З>о> + З>д> + Р>соц> + Р>из> + Р>пр>

Плановые

накопления

П>ед>

241036.1

= 35%

Отчисления в

спец фонды

О>сф>

23838.7

= 2,5%

Итого

Ц

953549.3

Ц = С>пр> + П>ед> + О>сф>

5.3 Расчет экономического эффекта

На основе расчетов, приведенных ранее, определим целесообразность внедрения инженерного проекта. Чистую прибыль будем определять по формуле:

П>t> = (Ц – С>п> – Р>дс> - О>жф>)N>t>(1 - H>t>/100), (5.4)

где П>t> – чистая прибыль в году t;

Ц - прогнозируемая цена изделия в году t;

С>п> – полная себестоимость изделия;

N>t> -объем выпуска в году t;

H>t> -процент налога на прибыль (24%).

Для определения величины чистой прибыли в последующие годы необходимо учитывать коэффициент приведения. Приведение осуществляется путем умножения разновременных затрат и результатов за каждый год на коэффициент приведения Кпр, вычисляемый по формуле:

К>пр> = 1/(1 + Е>н>)t - t>p>, (5.5)

где t – год, на который осуществляется расчет прибыли;

t>р> – текущий год.

При условии предоплаты на сумму начисленной годовой арендной платы за помещение и оборудование (расходы будущих периодов), исходя из стоимости 5000 руб./мес. за 1 м2, можно найти стоимость переданной в аренду без права выкупа производственной площади (60 м2):

А = 5000·60·12 = 3 600 000 руб. (5.6)

Поскольку сумма арендной платы включается в себестоимость МП, то в расчёте экономического эффекта можно считать А = 0 .

Расчет чистой прибыли и определение экономического эффекта приведены в таблице – 5.8.

Таблица 5.8 – 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 К>пр>

тыс.руб

6865.66

5694.46

4734.69

3971.39

Затраты:

6.Предпроизводственные затраты (НИОКР)

Руб.

985013.64

7.Аренда

Руб.

0

0

0

0

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

К>пр>

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 К>пр>

-

1

0.74

0.61

0.569

Таким образом инженерный проект экономически эффективен при объеме производства 500 шт/год и анализируя таблицу 5.8 можно сказать, что экономически эффект составляет 21296.76 тыс. руб за четыре года.

Вывод: сведения о затратах на НИОКР представлены в таблице и составляют 985013.64 рублей.

При этом:

- отпускная цена составила: Ц=132538.35 руб.;

    себестоимость: С>п> = 78571.92 руб.

6 ОХРАНА ТРУДА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСТНОСТЬ

Обеспечение электробезопасности при эксплуатации цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов

Цифровой синтезатор ч.м. – сигналов предназначен для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника. Питание приемника осуществляется от трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью однофазного напряжения 220 В.

Опасность поражения электрическим током среди прочих отличается тем, что человек не в состоянии обнаружить ее дистанционно (визуально, на слух, по запаху).

Все многообразие действий электрического тока приводит к двум формам поражения: к электрическим травмам и электрическим ударам. Внешними проявлениями электротравмы могут быть: ожоги - покраснения кожи, образование пузырей, омертвление (обугливание) пораженного участка кожи; электрические знаки - безболезненные пятна серого или бледно-желтого цвета на поверхности кожи; механические повреждения кожи, кровеносных сосудов, переломы костей и т.д. вследствие судорожного сокращения мышц или падения человека, пораженного электрическим током.

Электрический ток, протекая через тело человека, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие.

Термическое - проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве и повреждении кровеносных сосудов, перегреве нервных проводящих путей, сердца и других органов.

Электролитическое проявляется в разложении крови и других внутренних жидкостей организма, вызывая при этом значительное изменение их физико-химических и биологических свойств. Биологическое действие свойственно лишь живой ткани и выражается в ее раздражении и возбуждении. Оно сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями различных групп мышц, в том числе сердца и мышц грудной области. При большой величине тока, происходит нарушение либо полное прекращение деятельности органов дыхания и кровообращения.

Признаками электрического удара являются: непроизвольное судорожное сокращение мышц вплоть до потери сознания, нарушение у человека сердечной и дыхательной деятельности с возможным прекращением работы сердца и легких.

Остановке сердца иногда предшествует явление фибрилляции - хаотичного разновременного сокращения волокон сердечной мышцы.

По своему воздействию на организм человека электрический удар имеет четыре степени тяжести [12]:

Первый:

наиболее легкая с сохранением дыхательных функций и деятельности сердечно-сосудистой системы без потери сознания;

Второй:

потеря сознания с сохранением дыхания и сердечно-сосудистой деятельности;

Третий:

потеря сознания и нарушение дыхания и сердечно-сосудистой деятельности;

Четвертый:

состояние клинической смерти.

Если в течение времени от 7 до 8 минут не будет восстановлено дыхание и сердечная деятельность, то наступает физиологическая смерть.

Определим величину тока, протекающего через тело человека, если он стоит на влажном бетонном полу в обуви с кожаной подошвой и прикоснулся к токоведущим частям источника питания или к корпусу установки.

На корпус пробито напряжение 220 В. Значение тока, протекающего через человека вычисляется по следующей формуле:

, (6.1)

где: U - напряжение сети 220 В.;

r>0> - сопротивление заземления нейтрали - 8 Ом.;

- сопротивление в цепи тела человека,

где -сопротивление тела человека, =500 Ом при повышенном напряжении ;

- сопротивление обуви, =500 Ом. ;

- сопротивление основания (пола, грунта), на котором стоит человек, =900 Ом.;

Отсюда находим:

Значение тока не превышает значение допустимого уровня тока, равного 0,3 мА, и следовательно не может вызвать фибрилляцию сердца человека.

Исследователь прикоснулся к 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:

U>ф> - напряжение сети 220 В.;

r>0> - сопротивление заземления провода - 4 Ом.;

- сопротивление в цепи человека,

где - сопротивление тела человека, =1000 Ом.;

- сопротивление обуви, =500 Ом. ;

- сопротивление основания, на котором стоит человек, =900 Ом.;

Отсюда находим:

Значение превышает значение допустимого уровня тока , следовательно для обеспечения электробезопасности следует применить один из следующих способов защиты: защитное заземление; зануление; защитное отключение.

В электроустановках, питающихся от трехфазных четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В для обеспечения электробезопасности применяется зануление.

Расчет зануления производится с целью определения условий, при которых оно надежно и быстро отключит поврежденную электроустановку от сети и одновременно обеспечит безопасность прикосновения к зануленным частям измерительных приборов в аварийный период. Проектирование и расчет зануления включает: выбор средства автоматического отключения приборов от сети (предохранителя, электромагнитного выключателя и т.п.); расчет тока однофазного короткого замыкания ; расчет номинального тока срабатывания защиты.

Ток однофазного короткого замыкания в цепи зануления определяется по формуле [13]:

, (6.3)

где: U>ф> - напряжение сети 220 В.;

полное сопротивление петли «фаза-нуль»;

сопротивление обмотки трансформатора сети, 3,11 Ом;

Полное сопротивление петли «фаза-нуль» вычисляется по следующей формуле :

(6.4)

где:

активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, 0.0156 Ом/км;

внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль», 0.3 Ом/км; l - длина сети, 77 м.

Тогда:

Номинальный ток срабатывания устройства защиты определяется исходя из мощности подключенных приборов по формуле [14]:

, (6.5)

где: мощность подключенных приборов, Вт;

(6.6)

где: мощность прибора интенсивной магнитной терапии;

мощность источника тока;

мощность милливольтметра.

коэффициент надежности, 1,1;

Следовательно:

В качестве средства автоматического отключения выбираем плавкую вставку с номинальным током 3 А.

Проверяем условие надежности 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 условие выполняется, то выбранное устройство защиты обеспечивает требуемую безопасность работы.

Запрещается эксплуатировать цифровой синтезатор ч.-м. сигналов при обрывах проводов внешнего присоединения, проводить присоединения при подключенном напряжении питания. В случаях возникновения аварийных ситуаций следует их обесточить.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате дипломного проектирования был проведен следующий объем работ по схемотехнической разработке цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов, конструкции устройства и технологии его изготовления:

–обзор существующих аналогичных разработок;

–схемотехническое проектирование и выбор элементной базы устройства;

–разработка принципиальных схем;

–конструкторский расчет устройства и разработка печатной платы;

выбор и обоснование схемы технологического процесса исходя из необходимых параметров устройства;

-технико-экономическое обоснование дипломного проекта, которое включило в себя расчет себестоимости отпускной цены, расчет экономического эффекта;

в заключение был разработан комплекс мер по обеспечению безопасности жизнедеятельности человека при эксплуатации рзработанного устройства.

В настоящем дипломном проекте широко использовались вычислительная техника и современное программное обеспечение. В частности для разработки топологии печатной платы была использована система автоматизированного проектирования PCАD 8.5 а для получения графической документации - AutoCAD2000.

Достоинством такого подхода к решению поставленной задачи является то, что, например, обработка файла топологии печатной платы PCAD позволит подготовить информацию для “ запуска “ в производство платы.

В результате работы была разработана конструкторская документация на проектируемое устройство и оформлена расчетно-пояснительная записка.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

    Методические указания по дипломному проектированию для студентов специальностей “Проектирование и производство РЭС”, “Проектирование и технология ЭВС”. Под редакцией профессора Хмыля А. А. - Мн: БГУИР, 1998. - 44 с.

    ГОСТ 14.201-83. Общие правила обеспечения технологичности конструкции изделия.

    ГОСТ 21552-84. Средства вычислительной техники (общие технические требования, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение).

    ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкций.

    ГОСТ 25347-82. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.

    Колбун В. С. Проектирование печатного монтажа с помощью САПР PCAD. Учебное пособие по курсу “Прикладное программное обеспечение САПР”. - Мн.: БГУИР, 1995. - 49с.

    Система P-CAD 8.5-8.7 / В.Д. Разевиг Москва “Солон-Р” 1999г.

    Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. – М.: Радио и связь, 1983. – 312с.

    Конструирование радиоэлектронных средств: Учебное пособие для студентов специальности “Конструирование и технология радиоэлектронных средств”./ Под ред. Образцова Н. С. – Мн.: БГУИР, 1994 – 201с.

    Методические указания по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов / Елецких Т.В., Афитов Э.А., Палицын В.А., Феденя А.К. – Мн.: БГУИР, 1995. – 124 с.

    Методическое пособие по технико-экономическому обосновнию дипломных проектов / А.А.Носенко, А.В.Грицай. – Мн.: БГУИиР, 2002г. – 50с.

    Охрана труда в машиностроении: 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.

    Практические расчеты по инженерному обеспечению безопасности труда, ч.1. Учебное пособие для дипломного проектирования./ Шакиров Р.С. - Мн.: МРТИ, 1985г. - 56с.

    Задачи и расчеты по охране труда, ч.1. Методическое пособие./ Михнюк Т.Ф., Тупов В.В. – Мн.: БГУИиР, 1996г. – 36с.

    Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочник / Под ред. Романычевой Э.Т. – М.: Радио и связь, 1989. – 448с.

    ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Правила выполнения чертежей печатных плат.

    ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.