Выбор и обоснование применяемой элементной базы
Выдаваемая студенту при курсовом проектировании электрическая принципиальная схема устройства обычно требует доработки. Ее следует даже рассматривать как функциональную и возможно дорабатывать (по согласованию с руководителем проекта) в соответствии с дополнительными электрическими и эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к изделию (например, быстродействие, помехоустойчивость, жесткие условия эксплуатации и т.п.). Доработанная или переработанная электрическая принципиальная схема вместе с перечнем элементов служит в дальнейшем в качестве основы разработки печатных узлов РЭУ.
Целью данного раздела является выбор конкретных серий и типов ИМС и электрорадиоэлементов, определение их габаритов, массы, установочных и присоединительных размеров, а также способов закрепления и монтажа ИМС.
Естественно, что при разработке конструкций современных изделий РЭУ необходимо выбирать такие электрорадиоэлементы, которые в конструктивном, схемном и технологическом отношениях хорошо согласуются с параметрами, габаритами, конструкцией, методами сборки используемых в разрабатываемом устройстве ИМС.
Выбор типов ИМС и электрорадиоэлементов должен также провождаться с учетом:
а) номиналов и мощностей элементов;
б) надежности и условий эксплуатации системы, составной частью которой является проектируемое изделие;
в) технических требований к конструкции проектируемого изделия и системы в целом;
г) экономической целесообразности;
д) наличия данных типов элементов в серийном производстве;
е) унификации и стандартизации.
Для выбранной элементной базы (активных элементов) обязательно должны быть приведены электрические характеристики и указан источник.
В случае замены электрорадиоэлементов необходимо приводить электрические характеристики элементной базы, указанной в задании и выбранной вами.
Выбор типов ИМС и ЭРЭ должен также проводиться с учетом вида монтажа. Например, при использовании многослойных печатных плат (МПП), изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, целесообразно применение ИМС и ЭРЭ со штыревыми выводами, а при использовании МПП, изготовленных методом открытых контактных площадок, необходимо применять элементы с планарными выводами. Кроме того, следует учитывать, что различное конструктивное исполнение ИМС и ЭРЭ позволяет получить и различную плотность монтажа. Ограничения габаритов и массы изделия обуславливают выбор малогабаритных и микроминиатюрных элементов, если это позволяют условия их работы в изделии. Однако следует помнить, что при уменьшении габаритов и массы ЭРЭ прямой микроминиатюризацией, себестоимость ЭРЭ резко возрастает, несмотря на снижение материалоемкости ЭРЭ.
Задачу выбора типов микроминиатюрных ЭРЭ и ИМС следует решать на основе системного подхода и комплексной микроминиатюризации. Например, ряд серий и функциональных наборов корпусных ИМС имеет различное конструктивное исполнение, отличающееся габаритами и массой. В частности, большинство серий микросхем имеют бескорпусные аналоги, либо могут выпускаться по требованию заказчика.
Для совместной работы с ИМС в функциональных узлах РЭУ могут быть использованы резисторно-конденсаторные и конденсаторные сборки, совместимые с ИМС по конструкции и эксплуатационным параметрам.
Если в проектируемом изделии имеются нестандартные элементы или узлы (оригинальные, частного применения), то необходимо при отсутствии в задании их конструктивных параметров, провести их поверочные расчеты, выбрать тип конструкции, определить габариты, массу, способы крепления и монтажа.
Разработка конструкций модулей различных иерархических уровней
В данном разделе должны быть рассмотрены вопросы разработки конкретных конструкций модулей различных иерархических уровней и их составных частей в соответствии с ранее выбранной структурой конструкции проектируемого изделия. В зависимости от сложности изделия такими модулями, прежде всего, являются блоки, печатные узлы (ячейки, ТЭЗы, блоки элементов и т.п.), двухсторонние и многослойные печатные платы, многокристальные микросборки, модули электропитания и т.п. Степень детализации их разработки обосновывается и определяется совместно с руководителем проекта. Этот раздел обычно требует выполнения значительного объема конструкторских работ, сопровождаемых оформлением конструкторской документации.
В подразделе «Разработка конструкции блока» необходимо рассмотреть следующие задачи: обоснование выбора корпуса (кожуха) блока с учетом его стандартизации, ремонтопригодности, удобства эксплуатации и др.; обосновать и (или) рассчитать его типоразмеры: определить при компоновке зоны расположения печатных узлов, коммутации, управления; ориентацию ячеек с целью оптимизации компоновочных характеристик; провести оценочные расчеты массогабаритных характеристик; рассчитать основные компоновочные характеристики и показатели; изложить основные требования к электрической защите блоков (заземлению, экранированию и т.п.), герметизации (если необходимо), обеспечению теплового режима, механической защите блоков.
Особое внимание следует уделять оптимизации конструктивного решения с учетом системо- и схемотехнических, технологических и эксплуатационных требований.
В подразделе «Разработка конструкции печатного узла» необходимо обосновать массогабаритные и другие компоновочные характеристики печатного узла, определить конструктивные составляющие (планки, съемники, рамки, соединители, переходники, элементы закрепления и т.д.). Для выбранных (рассчитанных или заданных) габаритных размеров печатного узла определяется возможное максимальное число эквивалентных посадочных мест (зон), проводится ориентировочное размещение ИМС и ЭРЭ с выбором шагов размещения, оценивается трассировочная способность схемы узла и возможная слойность печатной платы. В этом подразделе должны также быть сформулированы основные требования к защите печатных узлов от электрических, тепловых, механических, климатических и других воздействий.
В подразделе «Разработка конструкции печатной платы» должны быть раскрыты следующие вопросы: сформулированы основные требования к конструкциям и технологии плат, выбрана требуемая группа жесткости, обоснован выбор типа печатной платы и класса точности выполнения размеров элементов печатного монтажа, выбраны размеры и конфигурация печатной платы, выбраны материалы печатных плат (оснований, покрытий); выбраны и размещены элементы печатного рисунка, осуществлена трассировка связей, выбраны требуемые элементы маркировки и контроля. Обязательно должны быть выполнены конструктивный и электрический (по постоянному и переменному току) расчеты печатных плат, оформлены соответствующие чертежи. Особое внимание следует уделить платам (подложкам) при использовании бескорпусных ИМС, МСБ И ЭРЭ и учесть их специфические требования (технология, материалы, топологические нормы).
Выбор, обоснование и разработка способов электромонтажа и соединений модулей
Известно, что цель электрических соединений (электромонтажа) в конструкциях изделий РЭУ состоит в обеспечении электрических сигнальных связей между входными и выходными цепями конструктивных модулей различного иерархического уровня, а также подвода к ним напряжений питания и земли для нормальной работы изделий. Поэтому все электрические соединения в изделиях, аналогично конструктивным модулям, входящим в изделия, и в соответствии с их иерархическими уровнями также можно разбить на несколько уровней коммутации. Например, для конструкций больших стационарных ЭВМ можно выделить: ячеечный электромонтаж (монтаж ИМС и ЭРЭ на печатные платы); внутриблочный монтаж (объединение ячеек на объединительных платах и т.п.); межблочный монтаж; межстоечный и т.д.
Следует помнить, что задача электромонтажа неразрывно связана с компоновкой, т.е. с размещением элементов по модулям различного уровня конструктивной иерархии.
Трудоемкость электромонтажных работ составляет до 50 и более процентов всей трудоемкости изготовления изделий ЭВС, а электрические соединения - от 3 до 15% физического объема изделий.
Конструкции электрических соединений во многом определяют надежность функционирования и другие показатели качества РЭУ. В частности, задержка, затухания и искажения сигналов, перекрестные помехи в электрических цепях могут снизить технические характеристики быстродействия и вообще нарушить нормальное функционирование РЭУ. Кроме того, электромонтаж в большей части определяет и экономические показатели изделия, поскольку, например, длина соединений проводов в больших ЭВМ может достигать нескольких десятков километров.
По этим причинам при разработке конструкции изделий РЭУ необходимо стремиться, чтобы как можно большее количество электрических соединений размещалось бы на низших конструктивных уровнях.
Задача конструктивно-технологической реализации электрических соединений между элементами и модулями РЭУ подразделяется на две основных части: межконтактные соединения (линии связи модулей) и контактирование (контактные соединения). Межконтактные соединения в конструкциях изделий РЭУ выполняются в основном двумя способами: с помощью печатных плат (печатный монтаж) и объемными проводами (кабелями, жгутами, свитыми парами проводов, одиночными проводами). Преимущество следует отдавать печатному монтажу.
Применяемые в конструкциях изделий РЭУ контактные соединения можно условно разделить на постоянные, полупостоянные и временные. Постоянные соединения не позволяют демонтировать из конструкции модули без разрушения их выводов (например, сварные соединения); в полупостоянных соединениях (например, паяных, либо полученных накруткой и т.п.) разрушения выводов при демонтаже не происходит, однако для демонтажа модулей требуются специальные инструменты. К временным контактным соединениям относятся соединения, получаемые с помощью разъемных соединителей, розеток и т.п.