Конструирование ЭВС

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Курсовой проект

по курсу “Конструирование ЭВС”

студент: Вилинский Д. группа ИУ4-92

консультант: Шахнов В. А.

Москва 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Назначение аппаратуры.

Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС.

2. Технические требования:

а) условия эксплуатации:

- температура среды t_о=30 ^оC;

- давление p = 1.33 Ч 10⁴ Па;

б) механические нагрузки:

- перегрузки в заданном диапазоне

f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30

- удары u = 50 g;

в) требования по надежности:

- вероятность безотказной работы P(0.033) і 0.8.

3. Конструкционные требования:

а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой;

б) мощность в блоке P Ј 27 Вт;

в) масса блока m Ј 50 кг;

г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71;

д) тип амортизатора АД -15;

е) условия охлаждения - естественная конвекция.

ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования:

• высокая надежность;

• высокая помехозащищенность;

• малая потребляемая мощность;

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры.

Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю.

Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики: дополняющие МОП-структуры). Конкретно были выбраны две микросхемы:

• К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ;

• К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ.

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные:

Этап 1. Определение температуры корпуса

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_к:

где P₀ - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;

S_к - площадь внешней поверхности блока.

Для осуществления реального расчета примем P₀=20 Вт, тогда

2. По графику из (1) задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dt_к= 10 ^оС.

3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a_л.в, боковой a_л.б и нижней a_л.н поверхностей корпуса:

Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:

4. Для определяющей температуры t_m = t₀ + 0.5 Dt_k = 30 + 0.5 10 =35 ^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

g - ускорение свободного падения;

g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 (1) и равна g_m=16.48 Ч 10^-6 м²/с

5. Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 (1) для определяющей температуры t_m, Pr = 0.7.

6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:

5 Ч 10⁶< Gr_н Pr = Gr_в Pr = 1.831 Ч0.7 Ч 10⁷ = 1.282 Ч 10⁷ < 2 Ч 10⁷ следовательно режим ламинарный

Gr_б Pr = 6.832 Ч0.7 Ч 10⁶ = 4.782 Ч 10⁶ < 5 Ч 10⁶ следовательно режим переходный к ламинарному.

7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока a_k.i:

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 4.10 (1) l_m = 0.0272 Вт/(м К);

N_i - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса: N_i = 0.7 для нижней поверхности, N_i = 1 для боковой поверхности, N_i = 1.3 для верхней поверхности.

8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой s_к:

9. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении Dt_к.о:

где К_к.п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно К_к.п = 1;

К_н1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 (1), К_н1 = 1.

10. Определяем ошибку расчета

Так как d=0.332 > (d)=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dt_к= 15 ^оС.

11. После повторного расчета получаем Dt_к,о= 15,8 ^оС, и следовательно ошибка расчета будет равна

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < (d)=0.1

12. Рассчитываем температуру корпуса блока

Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q_з:

где P_з - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P_з = 20 Вт.

2. По графику из (1) находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dt_з= 18 ^оС.

3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними a_з.л.н, верхними a_з.л.в и боковыми a_з.л.б поверхностями нагретой зоны и корпуса.

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны e_пi :

где e_зi и S_зi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e_зi= 0.92 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай).

Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной e_п = 0.405 и тогда

4. Для определяющей температуры t_m = 0.5 (t_к + t₀ + Dt_k)= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 ^oC и определяющего размере h_i рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

g - ускорение свободного падения;

g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 (1) и равна g_m=17.48 Ч 10^-6 м²/с

Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 (1) для определяющей температуры t_m, Pr = 0.698.

Gr_н Pr = Gr_в Pr = 213.654 Ч 0.698 = 149.13

Gr_б Pr = 875.128 Ч 0.698 = 610.839

5. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:

• для нижней и верхней

• для боковой поверхности

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 4.10 (1) l_m = 0.0281 Вт/(м К);

6. Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:

где s - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м² К);

S_l - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;

К_s - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем:

7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dt_з.о во втором приближении

где К_w - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К_w= 1;

К_н2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_н2 = 1.3.

8. Определяем ошибку расчета

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < (d)=0.1.

9. Рассчитываем температуру нагретой зоны

Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента

1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины l_экв = l_п = 0.3 Вт/(м К) , где l_п - теплопроводность материала основания печатной платы.

2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:

где S_0ИС - площадь основания микросхемы, S_0ИС = 0.0195 Ч 0.006 = 0.000117 м²

3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока

где a₁ и a₂- коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообмена a₁+ a₂ = 18 Вт/(м² К);

h_пп - толщина ПП.

4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме:

где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8.5 p R² Вт/К, М = 2;

к - эмпирический коэффициент: для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14; для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1;

к_a - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) (1) и для нашего случая к_a = 12 Вт/(м² К);

N_i - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более r_i< 10/m = 0.06 м, для нашей ПП N_i = 24;

К₁ и К₀ - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:

Dt_в - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:

Q_ИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;

S_ИСi- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна S_ИСi = 2 (с₁ Ч с₂ + с₁ Ч с₃ + с₂ Ч с₃) = 2 (19.5Ч 6 + 19.5Ч 4 + 6Ч 4) = 438 мм² = 0.000438 м²;

d_зi - зазор между микросхемой и ПП, d_зi = 0;

l_зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.

Подставляя численные значения в формулу получаем

5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТ_р = -45....+70 ^оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

Исходные данные для расчета:

РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП

Так как в нашей ПП используются однотипные микросхемы равномерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулой для равномерно нагруженной пластины:

где a и b - длина и ширина пластины, a = 186 мм, b = 81 мм;

D - цилиндрическая жесткость;

E - модуль упругости, E = 3.2 Ч 10^-10 Н/м;

h - толщина пластины, h = 2 мм;

n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;

М - масса пластины с элементами, М = m_пп + m_исЧ 25 = 0.095 + 0.024 Ч 25 = 0.695 кг;

K_a - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины;

k, a, b, g - коэффициенты приведенные в литературе (1).

Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты:

РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

Исходные данные

1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.

так как нам известен порядок К_e» 10³, то при минимальной частоте f = 10 Гц

следовательно мы можем рассчитать величину вибросмещения для каждой частоты спектра. Результат расчета представим в таблице:

2. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор амортизатора.

Так как блок заполнен одинаковыми модулями то и масса его распределена равномерно. При таком распределении нагрузки целесообразно выбрать симметричное расположение амортизаторов. В таком случае очень легко рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:

Исходя из значений Р₁...Р₄ выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Р_ном = 100....150 Н, коэффициент жесткости k_ам = 186.4 Н/см, показатель затухания e = 0.5.

3. Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока.

Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле:

Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы

и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле

Результат расчета представим в виде таблице

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ

Так как носителем нашего блока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последовательных элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.

Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия определяется по формуле:

где l_0i - номинальная интенсивность отказов;

k₁, k₂ - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;

k₃ - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;

Значения номинальных интенсивностей отказа и поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были взяты из литературы (1) и приведены в таблице

Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки t_p для нерезервированных систем определяется из формулы:

Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1...2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям.

ЛИТЕРАТУРА

1. О. Д. Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. “Радио и связь”, 1989 г.

2. Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г

3. В. А. Шахнов. Курс лекций.