Разработка конструкции ячейки контроля основных параметров микроакселерометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники

Технический университет

Кафедра Микроэлектроники

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу

Конструкторское проектирование аппаратуры ЭВС

на тему:

Разработка конструкции ячейки контроля основных параметров микроакселерометра

Исполнитель:

студент группы ЭТМО-44

Мельников А.Д.

Консультант: преподаватель каф. МЭ

Нальский А.А.

Москва, 2009 г.



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По курсу: «Конструкторское проектирование аппаратуры ЭВС»

Студент: Мельников А.Д. Группа: ЭТМО-44

Руководитель: Калугин В. В,

Консультант: Нальский А.А.

Сроки выполнения по графику: 20% - к 4-й неделе; 40% - к 7-й неделе; 60% - к 10-й неделе; 80% - к 13-й неделе; 100% - к 16-й неделе.

1. Тема проекта: Разработка конструкции ячейки контроля основных параметров микроакселерометра.

Назначение: используется в стенде испытания опытных образцов микроакселерометров для подачи питания к образцам, приема и обработки сигнала с акселерометров, вывода результата испытаний на экран индикатора.

2. Техническое задание.

2.1. Схема электрическая принципиальная

2.2. Ограничения:

схемотехнические:

· потребляемый ток по цепям питания:

· 5 В - 800 мА (4 Вт);

конструкторские:

· ячейка должна быть выполнена на основе печатной платы 54х93 мм;

· отвод тепла осуществляется естественным воздушным охлаждением;

· необходимо предусмотреть жесткое закрепление индикатора на плате в соответствии с его технической документацией;

эксплуатационные:

· механические воздействия: повышенные вибрационные нагрузки до 80 Гц, линейные ускорения до 10 g;

· воздействие влаги: до 80%;

· температура внешней среды: 35…+70оC;

· широкая функциональность и возможность гибкой настройки контролируемых функций;

· cрок службы изделия должен быть не менее 5 лет. Гарантийный срок эксплуатации должен составлять не менее 1 года. Вероятность безотказной работы ячейки на 8760 часов должна быть не менее Рс(t)=0,90;

3. Содержание курсового проекта

Текстовая часть: введение, анализ технического задания, изложение принципа работы ячейки КОПММА, обоснование выбора элементной базы, а также обоснование материала и выбор конструкции ПП, анализ тематической литературы и электронных источников, конструкторские расчеты: надежности, собственной частоты МПП, механической прочности.

Графическая часть:

1) Схема электрическая принципиальная, перечень элементов;

2) Сборочный чертеж;

3) Спецификация;

4) Чертеж МПП;

5) Чертеж трассировки слоев МПП



Содержание:

Список сокращений

Введение

Глава 1. Принцип работы ячейки КОПММА

Глава 2. Обоснование выбора элементной базы

Глава 3. Обоснование материала и выбор конструкции ПП

Глава 4. Трассировка печатной платы

Глава 5. Расчет надежности

Глава 6. Расчет собственной частоты МПП

Глава 7. Расчет ударной прочности

Заключение

Список литературы



Список используемых сокращений:

Ячейка КОПММА - ячейка контроля основных параметров микроакселерометра;

ПП - печатная плата;

ОПП - односторонняя печатная плата;

ДПП - двусторонняя печатная плата;

МПП - многослойная печатная плата;

ТМК - традиционно монтируемый компонент;

ПМК - поверхностно монтируемый компонент;

УСАПП - универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

СВЧ - сверхвысокие частоты;

ЭУ - электронное устройство;

ЧЭ - чувствительный элемент;

ММА - микромеханический акселерометр;

ММВГ - микромеханический вибрационный гироскоп;

МЭМС - микроэлектромеханическая система;

ИС - интегральная схема;

ИП - источник питания;

МК - микроконтроллер;

САПР - система автоматизированного проектирования;



Введение

Сегодня на рынке микроэлектромеханических систем (МЭМС) представлено более 40 видов таких устройств. А начал он формироваться в 70-е годы с освоением массового производства первых интегральных электромеханических приборов - датчиков давления. Эти приборы, изготовленные методами объемной микрообработки, проложили дорогу групповой технологии формирования тонкопленочных мембранных структур с высоким выходом годных и низкой стоимостью, которая также с успехом применялась в производстве различных преобразователей для автомобильных систем. В начале 80-х годов появились МЭМС расходомеров и акселерометров. В конце десятилетия была предложена технология поверхностной микромеханической обработки. Первые изделия, изготовленные по этой технологии, также были предназначены для автомобильных устройств (акселерометры для подушек безопасности и адаптивные системы подвески). Тогда же началась разработка микроактюаторов. В 90-е годы появились МЭМС гироскопов, микрозондов, растровых “микромикроскопов”, микровентилей, головок струйных принтеров, элементов проекционных дисплеев, торсионных зеркал, газовых хроматографических систем, устройств считывания накопителей большой емкости.

Современные МЭМС, выполненные наподобие ИС, представляют собой сформированные на единой подложке датчики, актюаторы, схемы управления с размерами элементов от нескольких сотен до нескольких единиц микрон. Но в отличие от микросхем, МЭМС, как правило, имеют трехмерную структуру.

Микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления находят все более широкое применение на подвижных объектах различного класса гражданского и военного применения. Успехи в развитии методов и средств производства изделий микроэлектроники позволили создать необходимую базу для разработки и массового выпуска микромеханических акселерометров (ММА), которые получили название твердотельных.

Вместе с тем следует отметить, что подавляющее большинство разработанных твердотельных ММА не являются в полном смысле таковыми. Как правило, они используют набор дискретных упругих подвесов, обеспечивающих необходимые степени свободы инерционным элементам. Это обстоятельство ограничивает виброустойчивость и ударопрочность микрочувствительных элементов, с одной стороны, и требуют использования сложных объемных технологий, с другой.

В настоящее время одним из основных направлений научной работы кафедры «Микроэлектроника» МИЭТ является разработка новейших современных ММА и их чувствительных элементов. Кроме теоретической работы, на кафедре также изготавливают опытные образцы, которые затем подвергают серьезным испытаниям. Именно поэтому помимо проектирования самих ММА, научные сотрудники разрабатывают методики их испытаний, а также необходимое испытательное и тестирующее оборудование.

Одной из последних сотрудниками кафедры была спроектирована центрифуга, для лабораторного испытания ММА. Для наилучшего использования всех испытательных возможностей этого стенда также были необходимы соответствующие электронные управление и контроль. В связи с этим был разработан ряд ЭУ, выполняющих различные прикладные функции, в числе которых и ячейка КОПММА.

микроакселерометр частота печатный плата



Глава 1. Принцип работы ячейки КОПММА

Приборы и устройства микро- и наносистемной техники могут включать чувствительный элемент, схему преобразования сигнала, системы управления, хранения и передачи информации.

Повышение точности микромеханических инерциальных приборов (ММА и ММВГ) и систем на их основе заключается в совершенствовании конструкции чувствительного элемента, улучшение технологии их изготовления, оптимизации параметров измерительной и управляющей схемы, минимизация и компенсация погрешности измерений.

Чувствительный элемент (ЧЭ) - часть сенсора, способная получать первичную информацию. В большинстве случаев конструкция и функциональные возможности ЧЭ определяют возможности сенсоров. Для получения информации от ЧЭ возможно использование различных принципов преобразования механического перемещения в информационный сигнал. Наиболее часто используют следующие способы получения информационного сигнала: ёмкостной, магнитоэлектрический, тензорезистивный, пьезоэлектричекский, оптический, резонансный, полевой, туннельный и некоторые другие.

В ММА, разрабатываемых в настоящее время на кафедре «МЭ» применяется в основном емкостной метод получения сигнала. Первичная обработка данных, полученных непосредственно от ЧЭ, производится микросхемой AD7746 производства компании Analog devices, которая осуществляет пробразование емкости в напряжение.

Дальнейшую работу по преобразованию и итнерпретации сигнала осуществляет ячейка КОПММА, функциональная схема которой представленная на рис. 1.1.

Напряжение питания 5В является основным для ячейки КОПММА. Оно подается от высокостабильного ИП на один из разьемов ячейки. Через ячейку КОПММА также осуществляется питание испытываемых образцов ММА.

Рис. 1.1 Функциональная схема ячейки КОПММА (МК - микроконтроллер).

Так как в техническом задании заявлено о высоком требовании электрической стабильности, в схему включается стабилизатор напряжения, осуществляющий и питание микроконтроллера. МК, в свою очередь, является основным функциональным элементом ячейки и выполняет следующие действия:

· Аналого-цифровое преобразование информационного сигнала, принятого от ММА;

· Преобразование и интерпретация информационного сигнала в соответствии с заданной программой;

· Подготовка сигнала для передачи его на индикатор;

· Передача данных индикатору;

Индикатор, питаемый от ИП напряжением 5В, получает данные от МК, выводя их на экран. Информация на экране индикатора записывается испытателем и используется в дальнейшей обработке и расчетах.

Программатор напрямую не входит в состав ячейки и представляет собой отдельное устройство. Однако на ячейке должен быть предусмотрен разъем для его подключения. Точно так же в состав ячейки не входят ММА, но они соединены с разрабатываемым устройством посредством кабеля и являются источником исходных данных.

Глава 2. Обоснование выбора элементной базы

В настоящее время существует большое разнообразие элементной базы, предназначенной для самых различных целей. В связи с этим оптимальный выбор компонентов является довольно сложной и вместе с тем очень важной задачей. Набор компонентов в первую очередь должен удовлетворять тактико-техническим, конструкторским, эксплуатационным и экономическим требованиям, предъявляемым техническим заданием к ЭУ, а также требованиям технологичности и технологического оснащения производства.

К элементной базе ячейки КОПММА предъявляются следующие требования:

· Высокая электрическая стабильность и надежность компонентов;

· Это обусловлено в первую очередь тем, что ячейка КОПММА предназначена для участия в испытаниях опытных образцов ММА. Следовательно, любое повреждение образцов вследствие скачков напряжения, коротких замыканий и т.д., вызванных некорректной работой испытательного оборудования, недопустимо.

· Гарантированный диапазон рабочих температур должен лежать в пределах -35…+70єС;

· Испытания ММА на начальном этапе исследований проводят в лабораторных условиях (центрифуга для испытаний работает в нормальных условиях: (25 ± 10) °C) с последующим приближением их к реальным (диапазон рабочих температур ММА -35…+70єС) для улучшения эксплуатационных характеристик и доработки существующих конструкций.

· Работоспособность при относительной влажности до 80%;

· Способность активными компонентами выполнять необходимые функции;

· Возможность гибкой регулировки контролируемых параметров и испытания широкого диапазона типов ММА путем перенастройки, перепрограммирования;

· Испытательное оборудование, предназначенное для внутрикафедрального использования, разрабатывается и изготавливается в одном, реже в нескольких экземплярах. Поэтому необходимо предусмотреть возможность испытания нескольких видов образцов или контроля различных параметров путем перепрограммирования.

Таким образом, исходя их вышеперечисленных требований, основными функциональным компонентами ячейки КОПММА будут являться программируемый микроконтроллер и LCD-индикатор, выбор которых будет определяющим для выбора остальной элементной базы и применения конкретных схемных решений.

После операционных усилителей микроконтроллеры -- самая многочисленная группа микросхем. От 4- до 32-разрядных, с максимальной тактовой частотой от сотен килогерц до многих десятков мегагерц, рассчитанные на самые разнообразные области применения. И все-таки среди всего этого многообразия выделяются несколько лидеров, одним из которых, несомненно, является семейство 16-разрядных микроконтроллеров MSP430 с крайне низким энергопотреблением, производимое корпорацией Texas Instruments (TI).

В последние годы наметилась тенденция к использованию в микроконтроллерах вместо традиционных ПЗУ (масочных, однократно программируемых или перепрограммируемых) устройств флэш-памяти. Достоинства этой технологии очевидны -- возможность многократного перепрограммирования в целевой системе, накопления и обновления данных непосредственно из прикладной программы. В случае Texas Instruments данная тенденция проявилась в расширении популярного семейства микроконтроллеров MSP430 рядом устройств с флэш-памятью MSP430F.

Приведем краткий перечень основных характеристик микроконтроллеров MSP430F:

· 16-разрядная RISC-архитектура, выполнение регистровых инструкций за один машинный цикл;

· рабочая частота от 0 до 8 МГц;

· напряжение питания от 1,8 до 3,6 В;

· крайне низкое потребление: от 1,3 до 2,5 мкА при частоте 4 кГц и напряжении питания 2,2 В; от 160 до 280 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 2,2 В;

· пробуждение из дежурного режима за 6 мкс;

· возможность программирования в целевой системе через последовательный интерфейс;

· весьма широкий набор интегрированной периферии;

· диапазон рабочих температур от -40 до +85 °С.

При максимальной рабочей тактовой частоте 8 МГц и напряжении питания 3,3 В ток потребления не превышает 4,5 мА для самых архитектурно сложных устройств, для остальных же членов семейства этот ток не превышает 2,8 мА. Работая на такой малой мощности, у данного микроконтроллера не будет проблем с отведением лишнего тепла и перегревом, что позволяет избежать усложнения конструкции ячейки КОПММА за счет введения системы охлаждения.

Многие современные 8-разрядные микроконтроллеры способны работать на частотах в десятки мегагерц. Однако на выполнение одной инструкции, как правило, требуется несколько (два и более) машинных циклов. В то же время в устройствах MSP430F применяется RISC-ядро с шестнадцатью интегрированными регистрами, выполняющее любую регистровую инструкцию за один такт синхронизации, что, наряду с более высокой разрядностью, обеспечивает производительность, оставляющую далеко позади многие 8-разрядные (и не только) микроконтроллеры со значительно более высокими рабочими частотами. Кроме того, в некоторые модели MSP430F встроен аппаратный умножитель, позволяющий еще больше повысить производительность на задачах цифровой обработки сигналов. Что как нельзя лучше подходит в случае проведения испытаний в режиме реального времени и позволит гарантировать достоверность полученных данных. Данный микроконтроллер содержит быстродействующий 10- или 12-разрядный АЦП, компаратор, до двух УСАПП, один или два таймера ШИМ, таймер-счетчик, супервизор питания и до 48 линий ввода--вывода общего назначения. А также есть контроллер ЖК-дисплея на 96 или 160 сегментов, что очень важно из-за наличия LCD-индикатора в составе ячейки КОПММА. Наличие развитой периферии в составе устройства существенно расширяет его функциональные возможности. Следует также отметить, что микроконтроллеры MSP430F имеют очень простую в освоении систему команд с малым числом инструкций. Кроме ассемблера, писать программы можно также на языках Си, Паскаль и Форт. Texas Instruments для первоначального ознакомления и начала работы с MSP430F выпускает стартовые наборы FET (Flash Emulation Tools), укомплектованные необходимым программным обеспечением, которое к тому же свободно доступно для загрузки на сайте производителя. Средства программирования и отладки выпускаются и сторонними разработчиками. Доступны также полноценные бесплатные компиляторы Си.

Учитывая вышеперечисленное, из всей линейки микроконтроллеров MSP430F компании Texas Instruments я решил остановить свой выбор на модели MSP430F1611.

Геометрические и установочные размеры приведены на рис. 2.1.

Если взглянуть на функциональную схему, первичными источниками сигналов синхронизации служат один, два или три генератора. Они могут работать с керамическим резонатором с частотой от 450 кГц до 8 МГц, кварцевым резонатором с частотой от 1 до 8 МГц или с внешним генератором частоты.



Рис.2.1 Геометрические и установочные размеры микроконтроллера MSP430F1611.

Помимо этого, один из них может работать от часового кристалла на 32 768 Гц. Все аналоговые компоненты для 32 кГц кварца уже интегрированы -- из внешних компонентов требуется только кристалл. Из этого следует, что необходимы 2 кварцевых резонатора, один из которых будет работать на часовой частоте 32769 Гц, второй же на частоте 8 МГц для обеспечения наибольшего быстродействия. Из-за большой рабочей частоты в 8 МГц второй резонатор необходимо снабдить двумя нагрузочными конденсаторами емкостью 22 пФ.

Выбор LCD-индикатора был сделан с учетом, что функциональная схема ячейки КОПММА построена с использованием I2C последовательного интерфейса. И для обеспечения передачи данных от микроконтроллера на устройство вывода, а также во избежании программно-аппаратных конфликтов был выбран двустрочный 16-символьный LCD-индикатор SC1602 компании Silicon Craft . Также немаловажным фактором является совместимость контроллера ЖК-дисплея с выбранным индикатором. Нужно также отметить, что LCD-индикаторы SC1602 получили очень широкое применение в составе современных ЭУ благодаря простоте программирования, относительной дешевизне и широким возможностям. Среди основных отличительных особенностей выбранного индикатора можно назвать следующие:

· Программируемая скорость в бодах 9600 битов в секунду или 19200 битов в секунду

· RS232 или последовательный интерфейс;

· Простые последовательные команды - очищение экрана, перевод строки, очищение строки, очищение столбца;

· Внутренняя память, способная хранить до 11 экранов информации;

· Программируемый уровень яркости подсветки;

· Программируемый уровень автоматической подсветки

· Автоматическая прокрутка текста;

· 8 определяемых пользователем символов;

· 2 аналоговых входа; 0-10V и 0-20mA

· 3 универсальных входа

· 3 универсальных выхода

· Бесплатное программное обеспечение с генератором пользовательских символов;

Фронтальный и вид сбоку индикатора SC1602 представлены на рис. 2.2 и 2.3.

Рис. 2.2 Фронтальные размеры LCD-индикатора SC1602



Рис. 2.3 Боковые размеры LCD-индикатора SC1602 (изображен схематически).

Как было объявлено выше, к компонентам ячейки КОПММА предъявляются повышенные требования по электрической стабильности. Вдобавок, испытываемые образцы и индикатор работают от напряжения питания 5 В, в то время как микроконтроллеру требуется всего лишь 3,3 В. Исходя из этого, был выбран стабилизатор напряжения TPS71533 компании Texas Instruments, рекомендуемый производителем для питания микроконтроллеров семейства MSP430F. Среди отличительных особенностей такого стабилизатора можно отметить следующее:

· Рабочий температурный диапазон: -40...125°С;

· Максимальное входное напряжение 24 В;

· Малое собственное потребление: 3,2 мкА (при IOUT = 50 мА);

· Стабильность работы с выходным конденсатором любого типа (>0,47 мкФ);

· Относительная погрешность выходного напряжения не более ±4%;

· Миниатюрный корпус.

Стабилизатор TPS71533 рекомендуется включать в схему согласно рис. 2.4.

Риc. 2.4. Рекомендуемая схема включения стабилизатора напряжения TPS71533

V_in - входное апряжение, V_out - выходное напряжение, GND - «земля».

Производитель предлагает выбрать включаемые резисторы в зависимости от 2х факторов - собственного потребления или шума выходного напряжения. Так как различие в энергопотреблении несущественны, а влияние шумов на выходное напряжение может привести к сбоям в работе ячейки КОПММА, то был предпочтен второй вариант с низкоомными резисторами по 100 Ом каждый. Выходной каскад был организован в виде 3х параллельных конденсаторов емкостями 2х0,1мкФ и 10 мкФ, применяемых в качестве высокомощного фильтра шумов выходного напряжения. Габаритные и установочные размеры стабилизатора приведены на рис. 2.5.

Количество и номиналы пассивных компонентов был произведен на основе технической документации на микроконтроллер, индикатор и стабилизатор напряжения в соответствии с рекомендациями производителей. Было решено использовать чип-резисторы и -конденсаторы производства компании MURATA типоразмеров 0603 и 1206 . Этот производитель широко распространен на российском рынке электронных компонентов и давно зарекомендовал себя надежностью, приемлемой стоимостью и качеством выпускаемых изделий.

Ввиду необходимости частичной мобильности ячейки КОПММА в ходе ее эксплуатации, внешних соединителей конструкция не предусматривает.

Однако, разъем необходим для подсоединения программатора контроллера. Учитывая небольшое количество значащих выводов, необходимых для этого, было решено использовать простейший 7-штырьковый соединитель PLS-7 с шагом выводов 2,54мм, поставляемый компанией “Бурый медведь», схематический чертеж которого с указанием размеров представлен на рис. 2.6.



Рис. 2.5. Габаритные и установочные размеры стабилизатора напряжения TPS71533.

Рис. 2.6. Штырьковый соединитель PLS-7

Вся отобранная для ячейки КОПММА элементная база представлена в перечне элементов (см. приложение 1).

Глава 3. Обоснование материала и выбор конструкции ПП

Правильный выбор материала ПП очень важен, так как от этого зависит большое количество характеристик работы будущей ячейки.

Согласно принципиальной схеме и, учитывая входящие в состав ячейки компоненты, видно, что максимальная рабочая частота ячейки КОПММА не превышает 8 МГц. В связи с этим проектируемое ЭУ можно отнести к низкочастотным, а значит нет необходимости применения керамики или фторопласта в качестве материала СВЧ-слоев или всей платы.

Но в то же время к материалу платы ячейки КОПММА предъявляются повышенные требования по гигроскопичности и электрической надежности. Сравнительная характеристика основных материалов приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Сравнительная характеристика материалов ПП

обозначение	состав	температура стеклования	диэлектрическая постоянная	относительная стоимость
FR2	бумага и фенольная смола	105	4.7	0.73
FR3	бумага и эпоксидная смола	110	4.9	0.85
FR4	фольгированный эпоксидный стеклотекстолит	135-170	4.7	1
FR5	то же с уменьшенным диаметром стекловолокна	160	4.6	1.4
BT	бисмалеинимид-триазиновая смола со стеклом	180-220	3.9-4.9	5.3
CE	цианат-эфир со стеклом	230	3.6	4.5
CEM1	бумага с эпоксидной смолой, на которую напрессованы листы стеклоткани	130	4.7	0.95
CEM3	стеклотекстолит, облицованный с двух сторон FR4	130	5.2	0.95
PD	полиимидная смола	260	4.2-4.6	6.5
PTFE	фторопласт	240-280	2.2-10.2	32-78
CHn	смесь гидрокарбоната и керамики	300	4.5-9.8	90

Из табл. 3.1 видно, что для удовлетворения всем требованиям электрической надежности и стабильности в качестве материала изготовления ПП нам подходят семейство материалов FR, а также материалы ВТ, СЕМ1 и СЕМ3.

Согласно требованиям технического задания, ячейка КОПММА дожна гарантированно функционировать в диапазоне температур -10…+60єС. Это значит, что повышенных требований к жаростойкости материала ПП не предъявляется. Поэтому использование материалов ВТ и FR5 будет экономически и эксплуатационно неоправданным: слишком большое удорожание себестоимости, которое вдобавок получается в целях получения ненужной характеристики.

Как известно, применение МПП имеет ряд значительных преимуществ перед ДПП и тем более ОПП., среди которых:

· такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;

· сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;

· между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум;

Но, учитывая простоту электрической схемы и малое число печатных проводников, эти не преимущества не так значительны, как тот факт, что применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ. Именно поэтому лучше всего изготавливать ячейку КОПММА в виде МПП с минимальным числом слоев, то есть 4. Использование многослойной технологии предусматривает металлизацию переходных отверстий. Исходя их этого, из всех материалов, подходящих по диэлектрическим характеристиками, исключаются материалы на основе бумаги FR2, FR3 и СЕМ1.

Из двух оставшихся материалов, FR4 и СЕМ3, лучшим вариантом будет первый. Это обусловлено несколькими причинами:

· широкое распространение на рынке

· приемлемая стоимость

· большое число разновидностей по толщине диэлектрика и медной фольги

· и очень важным преимуществом стеклотекстолита является его ниская гигроскопичность, обусловленная применением негидрофильных материалов (стекловолокна) в его производстве.

Учитывая все вышеприведенные факторы, в качестве материалов МПП ячейки КОПММА было решено взять стеклотекстолит FR4-35/35-1 препрег 7628, толщиной 0,180 мм.

В настоящее время наиболее распространены 2 способа изготовления многослойной структуры ПП, приведенные на рис.3.1.

Рис.3.1. Способы формирования многослойной структуры: а) фольга снаружи; б) «ядра» снаружи.

В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи препрега. После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Для ячейки КОПММА лучше всего взять первый вариант из-за того, что нет специальных требований к слоям ПП и изготовить его намного проще, виду повальной ориентации производителей ПП именно на этот вариант.

Согласно ГОСТ 23751-86 выберем класс точности изготовления МПП 4, а учитывая условия эксплуатации по ГОСТ 23752-79 разрабатываемую плату можно отнести ко 2 группе жесткости.

В связи с этим, формула расчета толщины ПП будет выглядеть следующим образом:



(1) ,

где Нр - толщина ПП; HFR4 - номинальная толщина слоя МПП; Hpr - толщина препрега; HCu - толщина медной фольги. Таким образом получаем для ячейки КОПММА с учетом выбранных материалов:

мм

Наименьшее номинальное значение диаметра контактной площадки D рассчитывается по формуле:

(2),

где d номинальный диаметр отверстия, Дd_B.O. верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, Дt_B.O. верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, Дt_TP величина подтравливания (равна 0,03 для МПП), Т позиционные допуски расположения. Для проектируемой платы:

Дd_B.O.=0,13мм, для отверстий до ш1,0мм

Дt_B.O.=0,13мм, для отверстий до ш1,0мм

Дd_B.O.=0,18мм, для отверстий свыше ш1,0мм

Дt_B.O.=0,18мм, для отверстий свыше ш1,0мм

Дt_TP= 0,03мм;

T_d=0,05мм;

T_D=0,10мм.



Таким образом получим для соответствующих диаметров отверстий:

Ш0,5мм мм

Ш0,6мм мм

Ш0,8мм мм, примем

D=1.4мм

Ш1,0мм мм, примем

D=1,6мм

Ш1,1мм мм, примем

D=1,8мм

Значения D и d для проектируемой платы представлены в табл.3.2.

Таблица 3.2

Параметры отверстий в плате

d, мм	D, мм	Наличие металлизации
0,5	0,9	есть
1,5	-	нет
3	-	нет
7,5		нет

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t и наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего

рисунка S зависят от токовой нагрузки и класса точности изготовления платы. Для класса точности 4 для проектируемой платы t=0,2 мм, S=0,2 мм.

Геометрический размер ПП выбирается из соображений применения высокоплотного монтажа, максимального уменьшения размеров ПП, но при этом необходимо учитывать наиболее технологичные варианты, позволяющие рационально использовать материалы, оптимизируя положение плат на заготовке. Большинство компонентов ячейки КОПММА являются миниатюрными чип-компонентами, что существенно уменьшает занимаемую ими площадь, а также длину необходимых для связи трасс. Использование штыревого соединителя и 2х резонаторов, монтируемых традиционно не повлияет существенно на размер ПП. Вместе с тем, в составе ячейки КОПММА присутствует индикатор SC1602, имеющий габариты 84х44мм. В связи с этим, эти габариты и будут определять окончательный размер ПП. Добавляя припуски для крепежа, получаем, что наиболее оптимальным было бы взять наиболее близкий к размеру индикатора типовой размер платы, то есть 93х54 мм (типовым назван из-за кратности стандартным листам, поставляемым производителями).

Также, необходимо выбрать способ размещения компонентов ячейки на плате для однозначного определения ее конструкции. В теории сборки и монтажа применяется классификация способов установки, отраженная на рис. 3.2.

LCD-индикатор целесообразнее устанавливать на одну из сторон платы в отсутствии других компонентов. Все остальные компоненты и трассы будут на обратной стороне. Это делается по нескольким причинам:

· Большой размер индикатора и специальные требования установки;

· Защита остальных компонентов от дополнительных тепловых воздействий;

· Защита проводников платы от шумов, помех, которые могут быть наведены в цепи из за близости индикатора, а также защита их от теплового воздействия;

· Предохранение индикатора от перегрева;



Рис.3.2. Варианты сборки и монтажа ячеек с применением ТПМ.

На рисунке:

I - сборка и монтаж компонентов только на поверхность платы на одной ее стороне (а) и с двух сторон (б);

II - смешанно-разнесенные сборка и монтаж, т.е. ТМК с лицевой стороны платы, а простейшие ПМК - с обратной стороны платы;

III - полностью смешанные сборка и монтаж, т.е. ТМК и ПМК - с лицевой стороны платы (а), ТМК и ПМК - с лицевой стороны платы и только простейшие ПМК - с обратной стороны платы (б), любой набор ПМК - с двух сторон платы и ТМК с одной стороны платы (в); любой набор ПМК и ТМК с двух сторон платы (в том числе и специальных компонентов) (г)

Наиболее подходящим будет являться установка компонентов по варианту III г).

Для улучшения воздухообмена в области, расположенной под индикатором, в плате будет сделана сетка из технологических отверстий малого диаметра (0,5мм).

Таким образом, ячейка КОПММА будет обладать следующими коструктивно-технологическими особенностями:

· Размер платы 93х54мм;

· Толщина платы ? 1,8мм;

· Материал платы: фольгированный стеклотекстолит FR4-35/35-1;

· Препрег 7628 толщиной 0,180мм;

· ПП будет в многослойном исполнении с 4мя слоями;

· На одну сторону ПП устанавливается LCD-индикатор SC1602, остальные компоненты и трассы будут находиться на другой стороне;

· Индикатор будет установлен специальным образом ( с использованием винтов и ограничительных втулок) в соответствии с рекомендациями производителя, электрический же монтаж будет осуществлен традиционно через металлизированные отверстия на ПП и самом идикаторе;

· В ПП будет сделана сетка отверстий малого диаметра;

· Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника 0,2мм и наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка 0,2мм.

Чертеж МПП для ячейки КОПММА представлен в приложении 3.

Глава 4. Трассировка печатной платы

Трассировка ПП ячейки КОПММА была выполнена в рамках маршрута Expedition Enterprise компании Mentor Graphics, являющегося признанным мировым лидером в области САПР печатных плат.

Маршрут Expedition Enterprise (см. рис.4.1) - это постоянно расширяющийся и развивающийся набор интегрированных друг с другом программных продуктов, обеспечивающий проектирование микроэлектронных систем с использованием передовых технологий.

Программа Library Manager обеспечивает создание и поддержку центральной библиотеки проекта.



Рис.4.1 Маршрут Expedition Enterprise

Программа Data Managment System (DMS) используется для связи библиотечных данных с отделами комплектации, складского хозяйства, бухгалтерского учета и другими корпоративными службами.

В редакторе DxDesigner вводятся схемы электрические принципиальные. В редакторе Constraint Editor System (CES) задаются электрические ограничения, включая требования к высокоскоростным цепям, дифференциальным парам и т.д. Программа I/O Designer поддерживает связь с проектом ПЛИС (FPGA), обеспечивая оптимизацию физических выводов микросхемы. Программы анализа и моделирования HyperLynx, ICX Pro и Quiet Expert используются для проверки целостности сигналов, их временных характеристик, электромагнитной совместимости. В топологическом редакторе Expedition PCB проектируются печатные платы. Производственные программы FabLink XE/Pro позволяют создавать из печатных плат многоплатные заготовки (панели). Поддержка Automation Pro позволяет настраивать работу над проектом под конкретного пользователя путем автоматизации типовых операций и использования языков программирования Visual Basic, VBScript, JScript, C++.

Топологический редактор Expedition PCB предназначен для проектирования печатных плат микроэлектронных устройств. Он интегрирован с:

· схемотехническими редакторами DxDesigner и Design View / Design Capture;

· библиотечным редактором Library Manager;

· средствами проектирования ПЛИС (FPGA) через программу-связку I/O Designer;

· программными средствами моделирования и посттопологического анализа (ICX, HyperLinx и др.);

· генератором отчетов Report Writer;

· программой подготовки многоплатных заготовок (панелей) Fablink XE;

· другими программами, входящими маршрут сквозного проектирования Expedition Enterprise.

Редактор Expedition PCB поддерживает современные технологии изготовления печатных плат (скрытые микропереходы, технологию сверхплотных межсоединений, встроенные пассивные компоненты и т.д.), обладает индивидуальными гибкими настройками для заданных цепей и областей с наложенными ограничениями, трассирует дифференциальные пары и высокоскоростные сигналы, поддерживает многовариантное проектирование на основе базовой разработки (Variant Manager) и параллельное проектирование в реальном времени несколькими топологами сложных печатных плат (Team PCB и Xtreme PCB).

Редактор Expedition PCB обеспечивает “горячую” (в реальном времени) связь с другими программными средствами (схемотехническими, моделирования и пр.), обладает широкими возможностями по размещению элементов, обеспечивает двунаправленную связь с машиностроительными САПР-ами (в т.ч. включающими трехмерное моделирование), имеет встроенный качественный трассировщик, позволяющий разводить межсоединения в режимах интерактивной и автоматической трассировки, удобен в работе с экранными областями, предлагает в процессе и по окончанию проектирования качественную проверку наложенных технологических ограничений, обеспечивает генерацию данных для производства печатных плат и выпуска конструкторской документации.

Исходные данные для трассировки ячейки КОПММА, переведенные в формат Expedition PCB:

· схема электрическая принципиальная ячейки KOPMMA.sch;

· библиотека компонентов KOPMMA.lib.

На основе электрической схемы был сгенерирован список цепей элементов схемы (netlist). На базе списка цепей и библиотеки компонентов в редакторе Cell Editor был создан файл, содержащий знакоместа компонентов, вручную размещенные в монтажно-коммутационном поле будущей печатной платы, с обозначенными связями между ними, соответствующими электрической схеме, то есть схема была упакована на ПП.

Проектируемая плата имеет 2 значащих слоя слоя: Top (верхняя сторона платы), Bottom (внутренний слой под слоем Top).

Подготовка к трассировке заключалась в установке зазоров для всех слоев коммутационной платы.

Вблизи монтажных отверстий были очерчены поля, в которых запрещена трассировка применительно ко всем слоям.

Учитывая относительную простоту и малое количество цепей, результат автоматической трассировки (см. приложение 4), выполненной САПР Expedition PCB, был удовлетворителен и не требовал дополнительной доработки.

Глава 5. Расчет надежности

Надежность - свойство электронной аппаратуры (ЭА) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности ЭА, называется отказом.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения подразделяют на внезапные (катастрофические) и постепенные. Постепенные отказы характеризуются временным изменением одного или нескольких параметров, внезапные - скачкообразно изменяющимися. По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой - однократно возникающий самоутрясающийся отказ, переперемежающийся - многократно возникающий сбой одного и того же характера.

По причине возникновения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа.

Возникновение отказов происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий и носит случайный характер. Для количественной оценки отказов используют вероятностные методы.

Безотказность - способность ЭА непрерывно сохранять заданные функции в течении установленного в технической документации времени - характеризуется вероятностью безотказной работы P_c(t), интенсивностью отказов л_i, наработкой на отказ (продолжительность работы изделия до появления отказа) T.

Для расчета ячейки КОПММА на надежность исходными данными являются число компонентов в ячейке n, интенсивность отказа компонентов л_iони приведены в табл. 5.1. Таким образом, вероятность безотказной работы ячейки определится по формуле:

(5.1),



где P_i(t) - вероятность безотказной работы i-ого компонента.

Так как

,

выражение (5.1) запишем в виде

(5.2)

где л_i - интенсивность отказа i-ого компонента, N_i - число элементов с интенсивностью отказов л_i.

Таблица 5.1

Значения интенсивностей отказов ЭРК

Наименование компонента	лi •10-6 час-1	Количество Ni, шт.
Конденсаторы керамические	0,15	8
Резисторы композиционные 0,125 Вт	0,016	24
БИС	0,01	1
Микросхема со средней степенью интеграции	0,013	1
LCD-индикатор	2	1
Кварцевый резонатор	1	2
Соединители	0,062	1
Плата печатная	0,7	1

Гарантийный срок службы изделия должен быть не менее 1 года, возьмем время наработки t:

T = 8760 часов; получим:

Р_с(t)=0,95 - этот результат удовлетворяет требованиям технического задания.

Срок cлужбы изделия должен быть не менее 5 лет, поэтому возьмем также время наработки t:

t=43800 часов; получим:

Р(t)=0,76.

Время наработки на отказ:

часов.

Для лабораторных условий введем поправочный коэффициент K=0,8, учитывающий возможные сбои из за климатических условий.

Получим:

часов.

Приведенный расчет показывает, что спроектированная ячейка КОПММА полностью удовлетворяет требованиям надежности, предъявляемым техническим заданием.

Глава 6. Расчет собственной частоты МПП

В результате воздействия вибраций, ударов и линейных ускорений на резонансных частотах ячейка может получить повреждения вплоть до разрушения конструкции. Ячейка КОПММА входит в состав испытательного стенда для ММА, основным элементом которого является центрифуга с частотой оборотов до 80 ГЦ. Измеряемые на стенде линейные ускорения могут достигать 200g. Учитывая это, можно сказать, что ячейка КОПММА может быть подвержена повышенному воздействию вибрации. Именно это и послужило причиной расчета собственной частоты МПП. Это позволит определить, возможно ли явление резонанса при воздействии вынужденных колебаний на ячейку КОПММА.

МПП ячейки КОПММА представляет собой прямоугольную пластину 93х54мм, изготовленную из стеклотекстолита FR4 плотностью 2,6г/см³.

Частота собственных колебаний пластины для случая закрепления в четырех точках:

(6.1),

где b ширина пластины, м;

? цилиндрическая жесткость пластины; м коэффициент Пуассона; с плотность материала пластины; h толщина пластины; k - отношение ширины пластины к ее длине; m и n - число полуволн, укладывающихся на каждой из сторон платы. Для оценки низшей собственной частоты полагаем n=0 и m=1, тогда (6.1) можно записать в виде:

(6.2),

Важно, чтобы резонансная частота ячейки отличалась от частоты вынужденных колебаний, по крайней мере, вдвое (правило октавы).

Эксплуатация ячейки, согласно ТЗ, происходит в условиях вибрации частотой 80 Гц и ускорением 10g.

Исходные данные для расчета:

Е=3,3•10¹⁰ Н/м²,

м=0,279,

h=1,8 мм,

а=0,093м,

b=0,054м.

Н/м;

k = 0.054/0.093 = 0.58

Гц

По условию технического задания вибрационная нагрузка на ячейку КПММА может достигать 80Гц. Согласно результату вышеприведенного расчета, низшая собственная частота ячейки почти в 2 раза ниже возможной частоты вынужденных колебаний. Это говорит о соблюдении «правила октавы». Спроектированная ячейка может эксплуатироваться в заданных условиях с минимальным риском получения повреждений или разрушений вибрационного происхождения.

Глава 7. Расчет ударной прочности

Ячейка КОПММА может подвергаться ударным воздействиям при транспортировке, эксплуатации. При ударе МПП и ЭРЭ испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени, но при больших значениях ускорений, что может привести к значительным повреждениям и даже разрушению конструкции. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, длительности и амплитуды ударного импульса. Форма реального ударного импульса определяется зависимостью ударного ускорения от времени. При расчетах реальную форму заменяют эквивалентной, например, полусинусоидальной.

Для расчета примем длительность ударного импульса ф=1..5мс, ускорение а=100м/с², частота н=40..120мин^-1.

Определим условную частоту ударного импульса для наихудшего случая:

с^-1.

Коэффициент передачи при ударе для полусинусоидального импульса :

,

где н - коэффициент расстройки, равный

, следовательно

Определим максимальное относительное перемещение:

мм

Условие ударопрочности:



мм,

где b - большая сторона платы.

Приведенный расчет показывает, что максимальное относительное перемещение меньше допустимого и удовлетворяет требованиям ТЗ для действия удара. Дополнительных конструкционных мер для защиты от ударных воздействий не требуется.



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта по курсу «Конструкторское проектирование аппаратуры ЭВС» была спроектирована ячейка КОПММА, являющаяся часть испытательного стенда ММА.

Спроектированное ЭУ отвечает всем требованиям технического задания. Выпущенного объема КД достаточно для единичного или мелкосерийного производства ячейки КОПММА. Разработанный сборочный чертеж ячейки представлен в приложении 2.

В процессе работы над курсовым проектом были решены следующие задачи:

· Максимальная минитюаризация размеров ячейки за счет применения современной поверхностно монтируемой элементной базы;

· Были выбраны качественные высокотехнологичные материалы отвечающие всем эксплуатационным, надежностным, нагрузочным требованиям;

· Проведенные расчеты доказали способность спроектированного ЭУ безотказно выполнять свои функции в заданных условиях

· Конструкция ячейки и применяемая элементная база предусматривает гибкую и быструю перенастройку для контроля различных параметров.

· Были изучены основы работы с САПР Expedition PCB компании Mentor Graphics, в котором была осуществлена трассировка МПП для ячейки КОПММА;



Список используемой литературы

1. Бирюков И., Выбор микроконтроллера, сайт статей по электронным компонентам http://www.compitech.ru/

2. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры.

3. ГОСТ 10450-68. Шайбы уменьшенные. Классы точности А и С.

4. ГОСТ 1491-80. Винты с цилиндрической головкой классов точности А и В.

5. ГОСТ 2.702-75. Правила выполнения электрических схем.

6. ГОСТ 21930-79. Припои оловянно-свинцовые.

7. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры ?конструкции.

8. ГОСТ 23752-79. Платы печатные. Общие технические условия.

9. ГОСТ 5916-70. Гайки шестигранные низкие класса точности В. Конструкция и размеры

10. Материалы для печатных плат. http://www.pcbtech.ru

11. Методические указания по разработке ЭУ. http://shops.wwm.ua

12. Нанотехнологии в электронике /под ред. Ю. А. Чаплыгина - М.: Техносфера, 2005

13. Ненашев А.П. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу “Конструирование МЭА”. - М.: МИЭТ, 1988

14. Основные конструкторские расчеты / методическое пособие, Гелль П.П., Матюхина Т.В., Осокина Н.А., Сотенко С.М. Кафедра проектирования электронных средств СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

15. ОСТ 4ГО.070.015. Требования к СБ радиоэлектронной аппартуры

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

17. Соединители и разъемы. Торговый дом бурый медведь. http://www.brownbear.ru

18. Справочник по базовым материалам для производства печатных плат. http://www.tabe.ru

19. Справочник по производству печатных плат. http://pcbfab.ru

20. Техника разводки печатных плат, Справочные таблицы, Базовые материалы для производства печатных плат. http://www.rezonit.ru

21. Технологические нормы и стандарты печатных плат. http://www.pacificm.ru

22. Электронные компоненты для поверхностного монтажа. http://www.smd.ru

23. Электронные компоненты и приборы. http://www.chip-dip.ru/

24. Datasheet MURATA. Monolithic Ceramic Capacitors.

25. Datasheet Silicon Craft. SC1602.

26. Datasheet Texas Instruments. MSP430F1611.

27. Datasheet Texas Instruments. TPS71533.

Размещено на Allbest.ru