Разработка печатной платы цифрового автомата

Настоящее техническое задание распространяется на разработку цифрового автомата – регулятора угла опережения зажигания, предназначенного для управления углом ОЗ в двигателе автомобиля и использования в составе приборов электронного контроля двигателя автомобиля, работающих во внутренних отсеках автомобиля на ходу в умеренном климате.

2.2 Основание для разработки

-наименование документов, на основании которых разрабатывается изделие:

ГОСТ 15150-69: Требования по климатическому исполнению.

-тема разработки:

Разработка цифрового автомата – регулятора угла ОЗ.

2.3Источник разработки

Аналогов не имеет.

2.4 Технические требования и условия эксплуатации

-состав изделия:

Данная электронная схема включает в себя:

15 микросхем серии К155, 4 микросхемы серии К555, 1 микросхему серии К176, 16 конденсаторов, 32 резистора, 3 транзистора, 15 диодов.

-технические параметры:

Для питания микросхем используется постоянное напряжение 5В. Так как данные микросхемы являются маломощными (ток потребления одной микросхемой не превышает З0мА), дополнительное охлаждение печатного узла не требуется.

Исполнение микросхем возможно в пластмассовом, керамическом и стеклокерамическом корпусах. Диапазоны рабочих температур серий 155, 555 и 176:

- для пластмассовых: от -10 до +70°С

- для керамических: от -45 до +85°С

Минимальная рабочая температура пластмассового корпуса составляет -10 °С что не удовлетворяет условиям эксплуатации в умеренно-холодном климате, поэтому

необходимо использовать микросхемы с керамическими корпусами серии КМ155, КМ555.

Выберем резистор МЛТ, рабочий диапазон температур которого - 60°С...+120°С.

Конденсатор К50-40, транзистор КТ3102Б, диод КД522А также удовлетворяют заданным условиям эксплуатации. В качестве разъёма выберем СНО54-40/70x9Р-1-В с золотыми контактами (для предотвращения окисления в условиях умеренно - холодного климата). Диапазон рабочих температур такого разъёма составляет от -60 до +100°С, допустимые механические вибрации с частотой 1-2000Гц, перегрузки до 10g.

-требования к надежности:

P(t)=0,99 за 24 часа

T₀=5 т.ч.

t₂=10 лет

-требования по стандартизации и унификации:

Показатели унификации и стандартизации - 75%.

-конструктивные требования:

Т.к. изделия может находиться в двигательном отсеке автомобиля, требуется защита от высоких температур и загрязнения. На габариты и способ крепления ограничения не накладываются.

-условия эксплуатации:

Климатическое исполнение: УХЛ

Группа объекта размещения: 3

-требования безопасности:

Отсутствуют.

-требования к упаковке, маркировке, транспортировке и хранению:

Транспортировка на всех видах транспорта на неограниченное расстояние, при погрузке, выгрузке требуется защита от ударов.

-требования к патентной чистоте:

Необходимо обеспечить патентную чистоту в России и странах СНГ.

2.5 Стадия разработки

Техническая документация с литерой "О"

2.6 Исполнители

Рогожин К. О.

2.7 Сроки выполнения по этапам

-разработка технического задания 4-я неделя семестра,

-выполнение схемы электрической и перечня элементов 6 неделя семестра,

-выполнение чертежа печатной платы, сборочного чертежа и спецификации -8 неделя семестра,

-выполнение пояснительной записки – 12 неделя семестра,

-защита курсового проекта 13-14 недели семестра.

3. Анализ технического задания

3.1Анализ назначения и объекта установки

Устройство предназначено для управления углом опережения зажигания в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. Оно относится к 7 группе видов размещения вычислительных средств на объекте, т.е. является портативным, предназначенным для длительной переноски и работающим на ходу. Устройство располагается в двигательном отсеке автомобиля, поэтому должно находиться в закрытом корпусе для защиты от грязи, влаги и др. внешних воздействий.

3.2Анализ условий эксплуатации

Климатические факторы, воздействующие на изделие:

Параметры механических воздействий:

По таблице определяем группу жёсткости для изделия: группа 2.

Исходя из воздействующих на конструкцию факторов определяем приоритеты при конструировании:

-надежность,

-механическая прочность, вибропрочность, вибростойкость,

-устойчивость к внешним воздействиям: пыли, туману, перепадам температуры, влажности и пр.

3.3Анализ электрической принципиальной схемы

Электрические параметры схемы, которые необходимы при расчете элементов печатного монтажа:

-максимально допустимое падение напряжение: Up 10% от питания.

-максимально допустимый ток в статике и динамике: Imax, Imax d. Ток во время переключения логических элементов на порядок больше тока в статике. Для его расчета необходимо выявить в схеме максимальное количество одновременно переключаемых цифровых элементов, увеличить их ток потребления по сравнению со статическим режимом в 10 раз. Помехи, которые возникают в цепях питания и управления, как правило, определяются токами в динамическом режиме работы цифровых схем;

- максимально допустимое падение напряжения U_p= 10%

- максимальная тактовая частота F_max = 1024 Гц

- сопротивление изоляции 15 Мом

- максимальное напряжение 12 в

3.4Анализ элементной базы.

4. Описание САПР, используемой при проектировании

Автоматизированная программа P-CAD предназначена для проектирования печатных плат. Пакет программы состоит из нескольких взаимосвязанных программ, причем отдельные программы могут функционировать самостоятельно, даже если другие программы не установлены на компьютере. Основными программами в пакете являются: P-CAD Schematic; P-CAD PCB; P-CAD Symbol Editor; P-CAD Pattern Editor; P-CAD Library Manager; P-CAD Autorouters; P-CAD Inter Plase & PSC; P-CAD Relau.

Программа P-CAD Schematic является графическим редактором схем. С помощью неё выполняется принципиальная электрическая схема электронного узла, который затем размещается на печатной плате.

Программа P-CAD PCB является графическим редактором и используется для выполнения чертежа печатной платы.

Программа P-CAD Symbol Editor предназначена для создания условных графических обозначений элементов, которые могут объединяться в библиотеки. Условные графические обозначения используются при выполнении электрических принципиальных схем.

Программа P-CAD Pattern Editor используется для создания посадочных мест элементов на печатную плату. Посадочные места объединяются в библиотеки и в дальнейшем используются программой P-CAD PCB при выполнении чертежа печатной платы.

Программа P-CAD Library Manager используется для создания библиотек элементов. В системе могут использоваться библиотеки условных графических обозначений, библиотеки посадочных мест корпусов и интегрированные библиотеки компонент. Интегрированные библиотеки компонент содержат информацию о графическом изображении символа, о посадочном месте и текстовую информацию о выводах элементов. Для выполнения отдельных электрических схем или отдельных чертежей печатных плат можно использовать отдельные библиотеки символов или корпусов. Однако при сквозном проектировании удобнее пользоваться интегрированными библиотеками, так как в этом случае программа автоматически устанавливает взаимосвязь между электрической схемой и печатной платой.

Программа P-CAD Autorouters содержит две программы: Quick Route и Shape-Based Router. Эти программы используются для автоматической трассировки проводников на печатной плате. Программа Quick Route применяется для простых схем с малым числом элементов и связей. Для более сложных схем используют бессеточный автотрассировщик Shape-Based Router. Система P-CAD может работать совместно с программой SPECCTRA, которая не входит в комплект поставки системы.

Программа P-CAD Inter Plase & PSC включает два модуля. Модуль Inter Plase используется для интерактивного размещения элементов на печатной плате, а модуль PSC – позволяет задавать правила для размещения и трассировки печатной платы на ранних этапах разработки.

Программа P-CAD Relau используется при коллективной работе над проектом. Она выполняет частично функции редактора P-CAD PCB.

В данном курсовом проекте использовалась система автоматического проектирования P-CAD 2002.

Технические характеристики P-CAD 2002:

1. Используется 32-разрядная БД;

2. До 20000 компонентов в одной библиотеке;

3. До 64000 цепей в одном проекте;

4. До 999 выводов в одном компоненте;

5. До 255 секций в одном компоненте;

6. До 2000 символов описания элементов;

7. До 20 символов в имени компонента;

8. До 30 символов в позиционном обозначении;

9. Минимальный шаг сетки – 0,1 mil (0,001дюйма);

10. Наличие горячей связи между электрической схемой и печатной платой;

11. До 99 листов в одном проекте;

12. До 99 слоев на одной плате;

13. Максимальный размер схемы 150 × 150 см;

5. Разработка интегрированной библиотеки компонент и электрической принципиальной схемы в системе P-CAD 2002.

5.1 Выбор электрического соединителя

В качестве электрического соединителя выбран разъем СНО51-10 на 10 выводов.

Технические характеристики:

5.2 Установка фильтрующих конденсаторов

На схему установлено 7 фильтрующих конденсатора (С10 - С16 на принципиальной схеме). Используются конденсаторы К50-40.

5.3Порядок разработки библиотеки символов

Для разработки библиотеки символов использовался редактор Symbol Editor P-CAD 2001 со следующими настройками: формат А3, единицу измерения мм, варианты ортогональности 90 и 45 градусов, сетка с шагом 0,5; 1мм, линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор не привязан к координатной сетке, шрифт "2,5", шаг сетки 1.

Для микросхем используем возможность мастера символов. Для остальных элементов создаем символ вручную.

Разработка дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварц состоит в выполнении следующих пунктов:

1. рисуется контур УГО элемента

2. изображаются выводы элемента

Установим длину вывода равную 4 мм. В поле Default Pin Name ввести имя вывода, а в поле Default Pin Des номер вывода. Нажать ОК. Установить курсор в точку, где должен быть вывод, если вывод неверно ориентирован, то не отпуская кнопку мыши нажать на клавиатуре кнопку R.

3. введение атрибутов элемента

В качестве атрибутов указать места для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Позиционное обозначение указывается над элементом, а тип элемента - под элементом.

Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК, Type или Value и нажать ОК.

4. ввод точки привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки и щелкнуть левой клавишей мыши.

5. сохранение УГО в библиотеке

Для создания УГО микросхем удобнее пользоваться мастером создания символа.

1. задать геометрические размеры контура элемента

2. указать число выводов справа и слева

3. указать длину вывода Normal и расстояние между выводами 5мм

4. подписываем выводы, задавая их имена в поле Default Pin Name и номер вывода в поле Default Pin Des в соответствии со схемой

5. Затем производим редактирование элемента, т.е. дорисовываем линии внутри контура, ставим знак инверсии у выводов, указываем позиционное обозначение и типа элемента.

5.4 Порядок разработки библиотеки посадочных мест средствами P-CAD 2002

Для разработки библиотеки посадочных мест использовался редактор Pattern Editor P-CAD 2002 со следующими настройками: формат А4, единицу измерения мм, сетка с шагом 0,5; линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор не привязан к координатной сетке.

Создадим стек монтажных отверстий. В данной схеме используются круглые отверстия для штыревого вывода размером 0.5\1 и контактная площадка для планарного вывода размером 0.6\2.1.

Для создания монтажного отверстия под штыревой вывод надо:

1. Выбрать команду Options Pad Style. В одноименном окне нажать кнопку Copy. Появится панель Copy Pad Style, на которой необходимо задать новое имя стиля.

2. Наименование стиля указывает форму контактной площадки и размер отверстия. Появится вновь окно Options Pad Style. Нажать кнопку Modify Simple.

3. Появится окно Modify Pad Style (Simple) . В области Type (Тип) выбрать Thru (Сквозное отверстие). В области Shape выбрать Elipse для кругового отверстия. Установить Width (ширину) равной 1 мм и Height (высоту) – 1мм. В области Hole установить диаметр отверстия 0.5 мм. Нажать ОК.

Для создания монтажного отверстия под планарный вывод надо:

1. Выбрать команду Options Pad Style. В одноименном окне нажать кнопку Copy. Появится панель Copy Pad Style, на которой необходимо задать новое имя стиля.

2. Наименование стиля указывает форму контактной площадки и размер отверстия. Появится вновь окно Options Pad Style. Нажать кнопку Modify Simple.

3. Появится окно Modify Pad Style (Simple) В области Type (Тип) выбрать Top (Верхний слой). В области Shape выбрать Rectangle (прямоугольник). Установить Width (ширину) равной 2.1 мм и Height (высоту) – 0.6 мм. Появится панель Options Pad Style. Нажать Close.

Посадочное место элемента на печатной плате состоит из монтажных площадок и отверстий. Монтажные отверстия размещают в узлах координатной сетки. Для привязки курсора к узлам координатной сетки выбрать команду View Snar to Grid.

Разработка посадочных мест дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварц состоит в выполнении следующих пунктов:

1. Рисуем корпус элемента

Он изображается в виде простых геометрических фигур без указания деталей конструкции. Он изображается на слое Top Assy. Для этого в строке состояний в поле Select Layer (выбор слоя) установить слой Top Assy.

Для рисования линий вызвать команду Place Line, для рисования окружностей вызвать команду Place Arc.

2.Выбор монтажного отверстия или контактной площадки

Активизируем необходимый стиль монтажного отверстия или контактной площадки, вызвав Options Pad Style и выбрав его. Нажать кнопку Close. Щелкнуть левой клавишей мыши по пиктограмме Place Pad. Появится панель Place Pad. На панели в окнах будут установлены единицы. Оставить установки без изменений и нажать ОК. Подвести курсор на координаты установки первого отверстия и щелкнуть левой кнопкой. Переместить курсор на координаты 2-ого отверстия и вновь щелкнуть левой кнопкой. Продолжить операцию для установки всех отверстий данного стиля и в конце нажать правую кнопку мыши. Если посадочное место строится с использованием разных стилей отверстий, то необходимо изменить стиль монтажного отверстия и повторить описанные ранее операции с другим стилем отверстия.

3. Ввод атрибутов

В качестве атрибутов ввести место для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК. Установить курсор в точку над элементом и щелкнуть левой кнопкой мыши, а затем правой кнопкой мыши. Повторить операцию для установки надписи о типе элемента под элементом.

4. Выберем точку привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки.

5.Сохранение посадочного места в библиотеке.

флажок Create Component должен быть сброшен.

Для создания посадочных мест микросхем удобнее пользоваться мастером создания посадочного места.

1. Указываем количество выводов и расстояние между ними

2. Указать место расположения первого отверстия – точки привязки

3. выбрать стиль монтажного отверстия или контактной площадки для первого вывода и остальных

4. задать размеры корпуса микросхемы

5. нажать ОК и сохранить

5.5Порядок разработки библиотеки компонент средствами P-CAD 2002

Для разработки интегрированной библиотеки символов используем Library Executive P-CAD 2001.

Для создания компонента нужно:

1. Component New. Будет предложено выбрать библиотеку, из которой надо будет создавать элемент (ту, в которую сохраняли символы и посадочные места).ОК

2. Выбираем посадочное место Select Pattern. ОК. Указываем количество шлюзов Number of Gates 1.

3. Выбираем символ Select Symbol. OK.

4. Далее прописываем соответствие выводов и их эквиваленты. Pins View. В идеале программа сама произвела сопоставление вывода контакта, вывода на символе, его имени.

5. Прописываем электрический тип: неизвестен, ввод, вывод, питание.

6. вручную прописываем номер шлюза.

7. заполним графы соответствия выводов. Чаще всего все выводы эквивалентны, входы эквиваленты.

8. Для питания заполним колонки Pin Name и Gate #.

Для проверки правильности создания элемента Component Validate. Если все правильно, то программа выдаст сообщение No errors found.

6. Разработка конструкции модуля

6.1 Размещение цифрового модуля в конструкции 2-го уровня

Разрабатываемый модуль является законченным функциональным устройством и устанавливается в корпусе. Разъем будет размещен на лицевой панели. В связи с тем, что прибор будет эксплуатироваться продолжительное время без остановки, необходимо предусмотреть возможность нагрева корпуса. Корпус должен быть защищён от влаги, пыли и др. внешних воздействий, т.к. устройство работает на борту автомобиля. Температура возможного перегрева корпуса 5-10°С.

6.2 Выбор способа закрепления модуля в конструкции более высокого уровня

Для закрепления модуля в конструкции 2-го уровня предусмотреть меры по надежному закреплению модуля. Так как разрабатывается портативное устройство, которое может часто подвергаться переносам и транспортировке, необходимо применять жесткое закрепление со всех четырех сторон. Печатная плата закрепляется на корпусе с помощью 4-х винтов, посаженых на резиновые прокладки, выполняющие функции амортизации и защиты от влаги, способной проникнуть через крепежные отверстия.

6.3 Выбор конструкции модуля

В состав конструкции модуля 1-го уровня будут входить следующие элементы:

-монтажная плата,

-соединитель,

-компоненты,

-элементы закрепления модуля.

Т.к. плата не содержит теплонагруженных элементов, то дополнительное охлаждение не требуется, избыточное тепло выводится через крепежные элементы на корпус.

7. Разработка печатной платы

7.1 Выбор компоновочной структуры и типа печатной платы

Печатная плата будет выполнена в соответствии с компоновочной структурой "1С", двусторонняя (ДПП). Выбор обусловлен оптимальной разводкой контактов на ПП.

7.2 Выбор класса точности ПП

Конструктивная сложность и тактовая частота печатной платы невысоки, но в то же время условия эксплуатации довольно жёсткие. Объем выпуска ПП серийный. Выбираем 2й класс точности. Согласно 2-му классу точности:

- t = 0,45 мм

- S = 0,45 мм

- b = 0,20 мм

- d/H = 0,4

- ∆t_v0 (без покрытия) = +0,10 мм

- ∆t_v0 (без покрытия) = -0,10 мм

- ∆t_n0 (с покрытием) = +0,15 мм

- ∆t_n0 (с покрытием) = -0,10 мм

- T_t = 0,10 мм

t - наименьшая номинальная ширина проводника,

S - наименьшее номинальное расстояние между проводниками,

b - минимально допустимая ширина контактной площадки,

d\H - отношение минимального диаметра контактной площадки к толщине платы,

(мм) – верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

(мм) - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

 - позиционный допуск на размещение проводника.

Указанные допустимые значения являются минимальными и их необходимо соблюдать в узких местах платы. На остальных участках ширина печатных проводников и расстояния между ними могут выполняться большего размера, чем указанный размер по данному классу.

7.3 Выбор метода изготовления ПП

Устройство изготавливается мелкосерийно, печатная плата двуслойная, класс точности 2, модуль первого уровня. В соответствии с этим выбираем химический тип производства, так как он прост и не доро