Обоснование выбора элементной базы

2.4. Обоснование выбора элементной базы

При изготовлении данного устройства использовалась технология смешанного монтажа (поверхностный, штыревой). Использование штыревого монтажа явилось необходимостью.

Технологии поверхностного монтажа предпочтительнее по ряду причин:

более высокие технические характеристики (расширение полосы частот при снижении паразитных составляющих индуктивности и емкости), компактность (технология поверхностного монтажа позволяет устанавливать самые миниатюрные компоненты), повышенная надежность (технология поверхностного монтажа минимизирует участие человека в создании печатной платы, скажем при пайке).

Конечная продукция, с использованием поверхностного монтажа, обладает более постоянными характеристиками.

Каждая матричная система проходит тщательное тестирование по внешнему управлению и связи с периферийными устройствами. При этом тестируются скорость и точность обмена данными между системой и внешними управляющими устройствами. Если матричная система не прошла хотя бы один из этих тестов, она не покидает производственное здание.

Кроме того, поверхностный монтаж позволяет использовать новые корпуса интегральных схем с малым шагом между выводами (0,5–0,65мм), корпуса с шариковыми выводами (BGA), новые малогабаритные дискретные компоненты и соединители. Повысить точность изготовления печатных плат, увеличились возможности для разводки сложных устройств в малых габаритах. Появление новой элементной базы позволяет говорить о возможности воплощения сложных систем на одной плате и даже на одном кристалле (system-on-chip). Это означает, что на одной и той же типичной плате устройства обработки сигналов, в малых габаритах размещаются высокочувствительный аналоговый тракт, аналого-цифровой преобразователь, высокоскоростная схема цифровой обработки на процессоре, а на программируемых логических интегральных схемах – буферные элементы и драйверы линий связи, элементы стабилизаторов напряжения питания и преобразователей уровня, а также другие узлы. Естественно, это накладывает отпечаток на методологию разработки платы.

Микросхема PIC16F73 - I/SO

Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры.

Основным назначением микроконтроллеров семейств PIC, как следует из аббревиатуры PIC (Peripheral Interface Controller), является выполнение интерфейсных функций. Этим объясняются особенности их архитектуры:

·          RISC-система команд, характеризующаяся малым набором одноадресных инструкций (33, 35 или 58), каждая из которых имеет длину в одно слово (12, 14 или 16 бит) и большинство выполняется за один машинный цикл. В системе команд отсутствуют сложные арифметические команды (умножение, деление), предельно сокращен набор условных переходов;

·          высокая скорость выполнения команд: при тактовой частоте 20 МГц время машинного цикла составляет 200 нс (быстродействие равно 5 млн. операций/сек);

·          наличие мощных драйверов (до 25 мА) на линиях портов ввода/вывода, что позволяет подключать непосредственно к ним довольно мощную нагрузку, например, светодиоды;

·          низкая потребляемая мощность;

·          ориентация на ценовую нишу предельно низкой стоимости, определяющая использование дешевых корпусов с малым количеством выводов (8, 14, 18, 28), отказ от внешних шин адреса и данных (кроме PIC17C4X), использование упрощенного механизма прерываний и аппаратного (программно недоступного) стека.

Таблица №2

Основные технические характеристики	Чип резисторы 0805	Чип резисторы 2512
Номинальная мощность при 70°С Рабочее напряжение Максимально допустимое напряжение Диапазон рабочих температур Температурный коэффициент сопротивления	1Вт 200В 400В -55 +125°С 100ppm/С	0.125Вт 300В 500В -55 +125°С 100ppm/С

2.5 Расчет на действие механических нагрузок

 

2.5.1. Расчет печатной платы на действие вибрации

Целью расчета конструкции РЭА при действии вибрации является определение действующих на элементы изделия максимальных перегрузок и перемещений.

Периодическая вибрация характеризуется спектром (диапазон частот), виброускорением, перегрузкой. Коэффициент перегрузки п, амплитуда виброускорения а, и виброперемещения S, связаны между собой соотношениями:

Исходными данными при расчете на вибрацию являются: частота вибрации (диапазон частот), Гц; масса блока (части блока); коэффициент перегрузки.

При расчете ПП с ЭРЭ задается (определяется) масса ПП и масса ЭРЭ.

Исходные данные для расчета:

Диапазон вибрационных воздействий: ,;

Коэффициент перегрузки: ;

Длина платы: ;

Ширина платы: ;

Толщина платы: ;

Коэффициент Пуассона материала ПП: ;

Модуль упругости материала ПП:

Удельный вес материала ПП: ;

Плотность материала ПП: .

Последовательность расчета следующая:

1.Определяем частоту собственных колебаний. При условии равномерного нагружения ПП по ее поверхности ЭРЭ:

,

где:

-ускорение свободного падения;

-длина ПП;

-толщина ПП;

- удельный вес материала ПП;

,

где:

-масса ЭРЭ;

-масса ПП;

где:

-длина ПП;

-ширина ПП;

- толщина ПП;

-плотность материала ПП;

;

;

-коэффициент, зависящий от способа закрепления ПП;

Для случая защемления платы по контуру:

- цилиндрическая жесткость;

где:

- модуль упругости материала ПП;

- коэффициент Пуассона материала ПП;

;

.

2.Находим амплитуду колебаний (прогиб) ПП на собственной частоте при заданном коэффициенте перегрузки п по формуле:

;

где:

- коэффициент перегрузки;

- частота собственных колебаний ПП.

.

3.Определяем коэффициент динамичности , показывающий, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний на частоте отличается от амплитуды на частоте :

;

где:

- показатель затухания колебаний (для стеклотекстолита при напряжениях, близких к допустимым, принимают );

- коэффициент расстройки;

Вычислим при :

4.Находим динамический прогиб в геометрическом центре ПП при ее возбуждении с частотой :

;

;

5.Определяем эквивалентную этому прогибу равномерно распределенную динамическую нагрузку :

;

и максимальный распределенный изгибающий момент, вызванный этой нагрузкой:

;

где:

C₁ и C₂ - коэффициенты, зависящие от размеров ПП и способа ее закрепления.

Для защемления ПП по контуру на a/b£3 значения C₁ и C₂ определяются по формулам:

C₁=0,0012+0,04 lg(a/b)

C₂=0,0513+0,108 lg(a/b).

;

;

;

;

6.Находим максимальное динамическое напряжение изгиба ПП:

;

;

7. Условия вибропрочности выполняются, если s_mах£[s],

;

где:

s-1 - предел выносливости материала ПП, для стеклотекстолита,

s-1=105 Мпа;

n_s=1,8 -допустимый запас прочности для стеклотекстолита.

;

Вывод: условие вибропрочности для ПП выполняется, так как s_mах<[s]

2.5.2.Расчет печатной платы на действие удара

Ударные воздействия характеризуются формой и параметрами ударного импульса.

Ударные импульсы могут быть полусинусоидальной, четвертьсинусоидальной, прямоугольной, треугольной и трапециевидной формы.

Максимальное воздействие на механическую систему оказывает импульс прямоугольной формы. Параметрами ударного импульса являются:

-        длительность ударного импульса (t),

-        амплитуда ускорения ударного импульса (Н_у).

Целью расчета является определение ударопрочности конструкции при воздействии удара.

Ударный импульс действует только в течение времени t и величина w=p/t получила название условной частоты импульса.

Исходными данными для расчета конструкции на ударопрочность являются:

-        параметры ударного импульса (t_и,Н_у)

-        параметры конструкции

-        характеристики материалов конструкции или собственная частота колебаний механической системы.

Исходные данные для расчета:

Длительность ударного импульса:

Амплитуда ускорения ударного импульса:;

Собственная частота колебаний механической системы: (расчет данной величины выполнен в пункте 2.5.1. ).

Расчет на ударопрочность проводим в следующей последовательности:

1.Определяем условную частоту ударного импульса:

;

где:

- длительность ударного импульса;

;

2.Определяем коэффициент передачи при ударе (для прямоугольного импульса):

;

где:

n - коэффициент расстройки

;

f_с - собственная частота колебаний механической системы.

;

;

3.Находим ударное ускорение:

;

где:

Н_у -амплитуда ускорения ударного импульса.

;

4.Рассчитываем максимальное относительное перемещение (для прямоугольного импульса):

;

;

5.Проверяем выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

1.Для ЭРЭ ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. а_у<а_удоп, где а_удоп определяется из анализа элементной базы изделия;

, следовательно а_у<а_удоп.

2.Для ПП с ЭРЭ S_mах<0,003b, где b – размер стороны ПП, параллельно которой установлены ЭРЭ;

;

, следовательно S_mах<0,003b.

Вывод: условия ударопрочности выполняются.