Проектирование электронной аппаратуры

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

• Введение
• 1. Описание проектируемого устройства
• 2. Электрическая принципиальная схема
• 3. Выбор габаритных размеров печатной платы
• 4. Проектирование печатной платы в программе KiCad
• 4.1 Размещение радиокомпонентов на печатной плате
• 4.2 Трассировка печатной платы
• Заключения
• Список используемых источников
• Приложение

• Введение
• В настоящее время при проектировании электронной аппаратуры важную роль приобретает использование систем автоматизированного проектирования на базе новых информационных технологий. На сегодняшний день основными проблемами при проектировании печатных плат являются их повышенная сложность и резкое сокращение сроков проектирования при постоянно возрастающем требовании к их качеству. Это приводит к необходимости использования различных систем автоматизированного проектирования. Важным этапом проектирования любого электронного изделия является превращение схемы в печатную плату, данный процесс называют трассировкой печатной платы или иногда разводкой печатной платы. В процессе разводки печатной платы у разработчика имеется ряд программ помощников, которые существенно облегчают, как сам процесс трассировки, так и внесение исправлений в уже существующие проекты. Одним из таких помощников является программный продукт Kicad. KiCad - это кроссплатформенный комплекс программ с открытым исходным кодом, предназначенный для разработки электрических принципиальных схем и автоматизированной разводки печатных плат. В настоящее время KiCad можно считать достаточно зрелым комплексом программ, чтобы использовать для успешной разработки и сопровождения сложных печатных плат. KiCad не накладывает ограничений на размер платы, с его помощью можно разрабатывать платы, содержащие до 32 медных слоёв (слоёв металлизации), до 14 технических слоёв и до 4 вспомогательных слоёв. В сквозном цикле проектирования KiCad позволяет создать все файлы, необходимые для производства печатных плат: Gerber-файлы для фотоплоттеров, файлы для сверления отверстий в платах, установки на них компонентов и другие.

• 1. Описание проектируемого устройства

Рисунок 2.1 - Принципиальная электрическая схема усилителя мощности

3. Выбор габаритных размеров печатной платы

Для выбора габаритных размеров необходимо рассчитать площадь печатной. Для определения площади необходимо рассчитать сумму установочных площадей РЭК. Перечень компонентов и расчеты установочных площадей РЭК приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Перечень компонентов и установочных площадей

Установочная площадь РЭК определялась по формуле

где B- ширина корпуса элемента в мм,

L - длина корпуса элемента в мм.

Установочная площадь цилиндрических РЭК определялась по формуле

где R - радиус корпуса элемента в мм.

Площадь печатной платы определяется формулой

где - коэффициент заполнения печатной платы, для наших расчетов берется 0,5;

- установочная площадь радиокомпонента, n - количество радиокомпонентов.

Расчет площади печатной платы согласно формулы (3.3)

Линейные размеры печатной платы выбираются по ГОСТ Р 53429-2009 и ГОСТ 10317--79. Для устройства в связи с горизонтальным расположением радиокомпонентов взята печатная плата в масштабе 2:1 размерами ширина 45мм длина 80мм.

4. Проектирование печатной платы в Kicad

4.1 Размещение радиокомпонентов на печатной плате

При помощи редактора печатных плат разрабатываем эскиз печатной платы, на который наносим монтажные отверстия, дополнительные надписи, а также выполняем ряд установок, таких как параметры сетки, размеры проводников, размеры и стиль контактных площадок, зазоры между элементами печатного рисунка и т. п.

Шаг координатной сетки выбираем 1,25(или 1,27) мм, что позволит избежать специальной формовки выводов, так как расстояние между выводами большинства компонентов кратно указанному размеру. Определяем наличие металлизации в отверстиях. Металлизацию наносят, как правило, на переходные отверстия. Монтажные отверстия для разрабатываемого усилителя можно не металлизировать, так как специальные требования по надежности и механическим воздействиям в задании не предъявляются.

Выполняем процесс ручного размещения ЭРЭ на поле печатной платы. Размещение ЭРЭ на монтажной зоне ПП проводят, учитывая выбранные варианты установки электрорадиоэлементов, формовки их выводов, варианты разметки под монтажные отверстия и контактные площадки (ОСТ 4.010.030-81) и придерживаясь правил, рассматриваемых ниже.

Сначала размещают входные и выходные контактные площадки, определяют зоны установки разъемов, затем размещают ЭРЭ.

При монтаже в отверстия электрорадиоэлементы устанавливают на ПП с одной стороны (для ОПП - со стороны, противоположной проводящему рисунку), ЭРЭ с планарными выводами можно располагать с двух сторон печатной платы.

Размещение проводят покаскадно от входа к выходу, группируя элементы одного каскада (особенно развязывающие и блокировочные конденсаторы) вблизи активного прибора.

Функциональные узлы размещаются на плате отдельно друг от друга. Это позволяет, в ряде случаев без принятия дополнительных средств защиты (введение экранов, экранирующих проводников и т. п.) значительно снизить паразитные связи и наводки.

При размещении ЭРЭ на ПП необходимо учитывать следующее:

- не следует располагать близко к теплонагруженным элементам полупроводниковые приборы, интегральные схемы, конденсаторы и другие теплочувствительные компоненты;

- должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбираются при регулировке схемы;

- должна быть предусмотрена возможность конвективной теплоотдачи в зоне расположения теплонагруженных элементов;

- массивные и крупногабаритные ЭРЭ следует размещать вблизи элементов крепления платы.

- расстояние от края платы до элементов проводящего слоя не менее 5 мм.

Трансформаторы, соленоиды и других электромагнитные устройства следует устанавливать так, чтобы их магнитные поля были направлены перпендикулярно друг другу, а сами устройства находились на максимальном расстоянии от кабелей.

В случае, когда расстояния между выводами многоконтактных ЭРЭ, выводы которых не подлежат формовке, не кратны шагу координатной сетки, центры отверстий под выводы располагаются по следующим правилам:

- если в конструкции навесного элемента имеются два или более выводов, расстояния между которыми кратны шагу координатной сетки, то центры отверстий под эти выводы обязательно размещают в узлах сетки, а центры отверстий под другие выводы располагают согласно чертежу на данный элемент;

- если в конструкции не имеется выводов, расстояния между которыми кратны шагу координатной сетки, то в узле сетки располагают центр монтажного отверстия, принятого за основное, а остальные помещают на вертикальной или горизонтальной линиях сетки, если это допускает расположение выводов.

Для автоматической установки ЭРЭ на ПП следует оставлять зазор между корпусами не менее 1,5 мм в одном из направлений. Зазор необходим также и для улучшенной ремонтопригодности.

Расстояние между осями выводов соседних ЭРЭ или осями выводов и корпусами соседних ЭРЭ должно быть не менее 2,5 мм, минимальное расстояние между корпусами дискретных ЭРЭ 1мм, между корпусами дискретных ЭРЭ и микросхем - 2 мм.

Отверстия (монтажные, переходные, крепежные) в плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы, в противном случае перемычка между отверстиями будет обладать малой механической прочностью.

Площадь ПП состоит из рабочей (монтажной) зоны и зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т. п.).

Диаметры крепежных отверстий выбираем 2,4 мм и диаметр резервной зоны для них составляет 7 мм.

Резервная зона - это зона вокруг крепежного отверстия запрещенная для расположения проводников и других элементов печатного рисунка. Ее размер определяется внутренним и внешним диаметрами металлических шайб и диаметром крепежного отверстия.

При корректировании габаритов ПП необходимо учитывать и то, что от края платы до центра крепежного отверстия должно быть не менее 5 мм. Кроме того, крепёжные изделия (шайбы, гайки и т. п.) или их элементы (головки винтов, болтов и т. д.) не должны выступать за габариты печатной платы.

Результаты расположения компонентов представлены в Приложении А.

4.2 Трассировка печатной платы

После размещения ЭРЭ приступают к трассировке, то есть к прокладке необходимых линий соединений (проводников) между контактными площадками.

Трассировка обычно проходит в два этапа. На первом (как правило, с привлечением автоматизированных средств) осуществляют предварительное соединение выводов всех ЭРЭ (включая входные и выходные КП) в соответствии со связями, предусмотренными электрической принципиальной схемой.

На втором этапе проводится доработка и оптимизация полученного печатного рисунка. Коррекция первоначального варианта топологии необходима, так как применяемые автоматические трассировщики ПП не всегда могут полностью осуществлять прокладку всех цепей.

Обычно придерживаются следующей очередности в прокладке цепей:

цепи питания;

земли;

сигнальные цепи;

остальные цепи.

Для уменьшения паразитных связей в ДПП шины питания и заземления необходимо располагать со стороны установки ЭРЭ, а сигнальные цепи - с обратной стороны ПП. Следует отметить, что заземляющие цепи должны быть разделены для цифровой части схемы, аналоговой части и устройств питания.

Печатные проводники на печатной плате располагают:

- равномерно по площади платы;

- во взаимно перпендикулярных направлениях в разных слоях ПП (параллельно линиям координатной сетки);

- печатный проводник, проходящий между двумя КП, следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярна линии, соединяющей центры отверстий;

- для рационального формирования токопроводящего рисунка целесообразно печатные проводники и контактные площадки выполнять без резких перегибов и острых углов, так как это затрудняет технологию изготовления (печать, травление, пайку), а также приводит к концентрации механических напряжений при нагревании (вследствие разницы ТКЛР фольги и основания) и отслаиванию проводников;

- если длина проводника более 70 мм, то целесообразно предусмотреть дополнительные КП (или металлизированные отверстия) для более надежного сцепления печатных проводников с основанием.

Допускается прокладка проводников под углом 45° для уменьшения длины проводника и снижения напряжений в углах при перегибе проводников. печатный плата усилитель трассировка

Запрещается прокладка проводников под корпусами навесных элементов, когда между ними существует разность потенциалов. В противном случае увеличивается возможность коррозионного разрушения печатного проводника.

Печатные проводники, как правило, выполняются одинаковой ширины на всем их протяжении. До минимально допустимых значений проводники могут быть сужены на небольшой длине в узких местах и в местах перекрестий проводников различных слоев. Ширина печатных проводников, с учетом протекающих токов, может быть различной, однако количество их типоразмеров стараются делать минимальным.

Рекомендуется не размещать проводники на минимально допустимом расстоянии от других печатных элементов. Расстояние от проводника до края платы (края выреза) должно быть не менее толщины платы с учетом допуска на габаритные размеры и позиционного допуска расположения печатного элемента, но не менее 5 мм.

В общем случае, топологию рисунка необходимо строить таким образом, чтобы снижать паразитные электрические параметры (паразитную емкость между рядом лежащими проводниками или проводником и экранным слоем, их взаимную индуктивность, индуктивность сигнальных проводников и т. д.). Это достигается максимально возможным уменьшением размеров приемных и передающих элементов печатного рисунка (проводников и контактных площадок), соблюдением заданных (расчетных) расстояний между этими элементами.

Результаты трассировки ПП представлены в Приложении Б и В.

Заключение

В данном курсовом проекте мною были изучены нормативные документы для проектирования РЭС, получены практические навыки для расчета и компьютерного проектирования печатной платы на примере программного обеспечения KiCad.

Список используемых источников

1. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник.- М.:ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.-500с. (Высшее образование)

2. ГОСТ 23751. Платы печатные. Основные элементы конструкции

3. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры. ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции.

4. Сайт - Чип и дип. Каталоги радиоэлементов https://www.chipdip.ru

5. Сайт - РадиоКот, схемы https://www.radiokot.ru/circuit/

Приложение А

Рисунок А.1 - Схема размещения РЭК на ПП

Приложение Б

Рисунок Б.1 - Схема трассировки верхнего слоя ПП

Приложение В

Рисунок В.1 - Схема трассировки нижнего слоя ПП

Размещено на Allbest.ru