Радиоэлектроника

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                                                        |3   |
|задание............................................................|    |
|.............                                                      |4   |
|                                                                   |    |
|Подбор элементной                                                  |5   |
|базы...............................................................|    |
|...                                                                |13  |
|                                                                   |    |
|Расчет теплового режима                                            |13  |
|блока.......................................................       |    |
|                                                                   |14  |
|Расчет массы                                                       |    |
|блока..............................................................|16  |
|............                                                       |    |
|                                                                   |18  |
|Расчет собственной частоты                                         |    |
|ПП......................................................           |    |
|                                                                   |    |
|Расчет схемы                                                       |    |
|амортизации........................................................|    |
|......                                                             |    |
|                                                                   |    |
|Расчет надежности по внезапным                                     |    |
|отказам......................................                      |    |
|                                                                   |    |
|Литература.........................................................|    |
|...............................                                    |    |
|                                                                   |    |



                             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 tо=30 оC(
            - давление p = 1(33 ( 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) ( 0.8(

3( Конструкционные требования(
    а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой(
    б) мощность в блоке P ( 27 Вт(
    в) масса блока m ( 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(

|Параметр                                      |К176ЛЕ5    |К176ЛА7    |
|Входной ток в состоянии “0”( Iвх0( мкА( не    |-0(1       |-0.1       |
|менее                                         |           |           |
|Входной ток в состоянии “1”( Iвх1( мкА( не    |0(1        |0.1        |
|более                                         |           |           |
|Выходное напряжение “0”( Uвых0( В( не более   |0(3        |0.3        |
|Выходное напряжение “1”( Uвых1( В( не менее   |8(2        |8.2        |
|Ток потребления в состоянии “0”( Iпот0( мкА(  |0(3        |0.3        |
|не более                                      |           |           |
|Ток потребления в состоянии “1”( Iпот1( мкА(  |0(3        |0.3        |
|не более                                      |           |           |
|Время задержки распространения сигнала при    |200        |200        |
|включении tзд р1(0( нс( не более              |           |           |
|Время задержки распространения сигнала при    |200        |200        |
|включении tзд р0(1( нс( не более              |           |           |

           Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

|Напряжение источника питания( В                          |5 - 10 В |
|Нагрузочная способность на логическую микросхему( не     |50       |
|более                                                    |         |
|Выходной ток Iвых0 и Iвых1( мА( не более                 |0(5      |
|Помехоустойчивость( В                                    |0(9      |


                        РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные(

|Размеры  блока(                       |L1=250 мм L2=180 мм L3=90 мм   |
|Размеры нагретой зоны(                |a1=234 мм a2=170 мм a3=80 мм   |
|Зазоры между нагретой зоной и корпусом|hн=hв=5 мм                     |
|Площадь перфорационных отверстий      |Sп=0 мм2                       |
|Мощность одной ИС                     |Pис=0,001 Вт                   |
|Температура окружающей среды          |tо=30 оC                       |
|Тип корпуса                           |Дюраль                         |
|Давление воздуха                      |p = 1(33 ( 104 Па              |
|Материал ПП                           |Стеклотекстолит                |
|Толщина ПП                            |hпп = 2 мм                     |
|Размеры ИС                            |с1 = 19(5 мм с2 = 6 мм c3 = 4  |
|                                      |мм                             |

Этап 1( Определение температуры корпуса

    1( Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока qк(
[pic]где P0 - мощность рассеиваемая блоком в виде  теплоты(
    Sк - площадь внешней поверхности блока(
    Для осуществления реального расчета примем P0=20 Вт, тогда
[pic]
    2( По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в  первом  приближении
(tк= 10 оС(

    3( Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней (л(в, боковой (л(б
и нижней (л(н поверхностей корпуса(
     [pic]
    Так как ( для всех поверхностей одинакова и равна (=0(39 то(
    [pic]

    4( Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 (tk = 30 + 0.5 10 =35  oC
рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
    [pic]
    где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса(
          g - ускорение свободного падения(
          (m - кинетическая вязкость  газа,  для  воздуха  определяется  из
таблицы 4(10 [1] и равна (m=16(48 ( 10-6 м2/с
          [pic]

    5( Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4(10 [1]  для  определяющей
температуры tm, Pr = 0.7(

    6( Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса(
    5 ( 106  < Grн Pr = Grв Pr = 1(831 (0(7 ( 107 = 1(282 ( 107  < 2 (  107
следовательно режим ламинарный
    Grб Pr = 6(832 (0(7 ( 106 = 4(782 ( 106  < 5 ( 106  следовательно режим
переходный к ламинарному(



    7(  Рассчитываем  коэффициент   теплообмена   конвекцией   для   каждой
поверхности блока (k(i(
    [pic]
    где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m  определяем  из  таблицы
4(10 [1] (m = 0(0272 Вт/(м К)(
          Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса( Ni =
0.7 для нижней поверхности( Ni = 1 для боковой поверхности(  Ni  =  1(3  для
верхней поверхности(

    8(  Определяем  тепловую  проводимость  между  поверхностью  корпуса  и
окружающей средой (к(
[pic]
    9( Рассчитываем перегрев  корпуса  блока  РЭА   во  втором  приближении
(tк(о(
    [pic]
    где Кк(п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока( Так как
блок является герметичным, следовательно Кк(п = 1(
     Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление  окружающей  среды
берется из графика рис( 4(12 [1], Кн1 = 1(

    10( Определяем ошибку расчета
    [pic]
    Так  как (=0(332 > [(]=0.1  проводим  повторный  расчет  скорректировав
(tк= 15 оС(

    11( После повторного расчета получаем (tк,о= 15,8 оС,  и  следовательно
ошибка расчета будет равна
    [pic]
    Такая ошибка нас вполне устраивает (=0(053 < [(]=0.1

    12( Рассчитываем температуру корпуса блока
    [pic]

Этап 2( Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

    1( Вычисляем условную удельную  поверхностную  мощность  нагретой  зоны
блока qз(
    [pic]
    где Pз - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, Pз = 20 Вт.

    2( По графику из [1] находим в  первом  приближении  перегрев  нагретой
зоны (tз= 18 оС(

    3( Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними  (з(л(н,
верхними (з(л(в и боковыми (з(л(б поверхностями нагретой зоны и корпуса(
    Для начала  определим  приведенную  степень  черноты  i-ой  поверхности
нагретой зоны (пi (
[pic]
    где  (зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности  нагретой  зоны,
(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 (п = 0(405 и тогда
    [pic]

    4( Для определяющей температуры tm = 0(5 (tк + t0 + (tk) = 0(5 (45 + 30
+ 17 =46 oC и определяющего размере hi рассчитываем число  Грасгофа  Gr  для
каждой поверхности корпуса
    [pic]
    где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса(
          g - ускорение свободного падения(
          (m - кинетическая вязкость  газа,  для  воздуха  определяется  из
таблицы 4(10 [1] и равна (m=17(48 ( 10-6 м2/с
          [pic]
    Определяем число Прандталя Pr из  таблицы  4(10  [1]  для  определяющей
температуры tm, Pr = 0.698(
    Grн Pr = Grв Pr = 213(654 ( 0(698 = 149(13
    Grб Pr = 875(128 ( 0(698 = 610(839

    5( Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена  между
нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности(
 для нижней и верхней
      [pic]
 для боковой поверхности
      [pic]
    где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m  определяем  из  таблицы
4(10 [1] (m = 0(0281 Вт/(м К)(



    6( Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом(
    [pic]
    где ( - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока,  при
отсутствии прижима ( = 240 Вт/(м2 К)(
          S( - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока(
          К( - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
    [pic]
    В результате получаем(
[pic]

    7( Рассчитываем нагрев нагретой зоны (tз(о во втором приближении
    [pic]
    где Кw - коэффициент,  учитывающий  внутреннее  перемешивание  воздуха,
зависит от производительности вентилятора, Кw = 1(
    Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха  внутри  блока,  Кн2  =
1(3(

    8( Определяем ошибку расчета
    [pic]
Такая ошибка нас вполне устраивает (=0(053 < [(]=0.1(

    9( Рассчитываем температуру нагретой зоны
      [pic]



Этап 3( Расчет температуры поверхности элемента

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

    2( Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем(
    [pic]
    где S0ИС - площадь основания  микросхемы,  S0ИС  =  0(0195  (  0(006  =
0(000117 м2

    3( Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока
    [pic]
    где (1 и (2 -  коэффициенты  обмена  с  1-й  и  2-й  стороной  ПП(  для
естественного теплообмена (1 + (2 = 18 Вт/(м2 К)(
    hпп - толщина ПП(

    4( Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы  для  ИМС
номер 13  находящейся  в  середине  ПП  и  поэтому  работающей  в  наихудшем
тепловом режиме(
[pic]
    где В и М - условные величины, введенные для  упрощения  формы  записи,
при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8(5 (  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( - коэффициент теплоотдачи  от  корпусов  микросхем  определяется  по
графика (рис( 4(17) [1] и для нашего случая к( = 12 Вт/(м2 К)(
    Ni  -  число  i-х  корпусов  микросхем(  расположенный  вокруг  корпуса
рассчитываемой микросхемы  на расстоянии не более ri < 10/m =  0.06  м,  для
нашей ПП Ni = 24(
    К1 и К0 - модифицированные функции Бесселя, результат  расчета  которых
представлен ниже(
    [pic]
    (tв - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке(
    [pic]
    QИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для  всех
одинаковая и равна 0(001 Вт(
    SИСi - суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs,  в  нашем  случае
для всех одинаковая и равна SИСi = 2 (с1 ( с2 + с1 ( с3  +  с2  (  с3)  =  2
(19(5 ( 6 + 19.5 ( 4 + 6 ( 4) = 438 мм2 = 0(000438 м2(
    (зi - зазор между микросхемой и ПП, (зi = 0(
    (зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор(
    Подставляя численные значения в формулу получаем
[pic]

    5( Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы
    [pic]
Такая температура  удовлетворяет  условиям  эксплуатации  микросхемы  (Тр  =
-45((((+70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения(

                             РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

    Исходные данные для расчета(

|Масса блока ИС                     |mис = 24 г = 0(024 кг              |
|Плотность дюралюминия              |(др = 2800 кг/м3                   |
|Плотность стеклотекстолита         |(Ст = 1750 кг/м3                   |
|Толщина дюралюминия                |hk = 1 мм = 0(001 м                |
|Толщина печатной платы             |hпп = 2 мм = 0(002 м               |
|Количество печатных плат           |nпп = 60                           |
|Количество ИС                      |nис = 25                           |

    [pic]

                        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(
[pic]
где a и b - длина и ширина пластины, a = 186 мм, b = 81 мм(
D - цилиндрическая жесткость(
E - модуль упругости, E = 3.2 ( 10-10 Н/м(
h - толщина пластины, h = 2 мм(
( - коэффициент Пуассона, ( = 0.279(
М - масса пластины с элементами, М = mпп + mис ( 25 = 0.095 + 0.024 ( 25 =
0.695 кг(
K( - коэффициент( зависящий от способа закрепления сторон пластины(
k, (, (, ( - коэффициенты приведенные в литературе [1](
Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной
частоты(
[pic]

РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

    Исходные данные

|Вид носителя - управляемый снаряд                                      |
|Масса блока m = 42.385 кг                                              |
|f, Гц    |10       |30       |50       |100      |500      |1000     |
|g        |5        |8        |12       |20       |25       |30       |

    1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.
    [pic]
    так как нам известен порядок К( ( 103, то при минимальной частоте  f  =
10 Гц
    [pic]
    следовательно мы можем рассчитать  величину  вибросмещения  для  каждой
частоты спектра( Результат расчета представим в таблице(

|f, Гц    |10       |30       |50       |100      |500      |1000     |
|g        |5        |8        |12       |20       |25       |30       |
|(, мм    |13       |2        |1        |0(5      |0(25     |0(076    |

    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(
    [pic]
    Исходя из значений Р1...Р4 выбираем амортизатор АД -15  который  имеет(
номинальную статическую нагрузку Рном = 100....150 Н, коэффициент  жесткости
kам = 186(4 Н/см, показатель затухания ( = 0(5(

    3( Расчет статической осадки амортизатора и относительного  перемещения
блока(
    Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле(
    [pic]
    Для определения  относительного  перемещения  s(f)  необходимо  сначала
определить собственную частоту колебаний системы
    [pic]
    [pic]
    и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле
    [pic]

    Результат расчета представим в виде таблице

|Масса блока m = 42.385 кг                                              |
|f, Гц       |10      |30      |50      |100     |500     |1000     |
|g           |5       |8       |12      |20      |25      |30       |
|f, Гц       |10      |30      |50      |100     |500     |1000     |
|((f), мм    |13      |2       |1       |0(5     |0(25    |0(076    |
|((f)        |1.003   |1.118   |1.414   |2.236   |4.123   |13.196   |
|s(f)= ((f)  |13.039  |2.236   |1.414   |1.118   |1.031   |1.003    |
|((f)        |        |        |        |        |        |         |

                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(
    [pic]
    где (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

|Элемент            |(0i,1/ч  |k1       |k2       |k3       |k4       |
|Микросхема         |0,013    |1,46     |1,13     |1        |1,4      |
|Соединители        |0,062 (  |1,46     |1,13     |1        |1,4      |
|                   |24       |         |         |         |         |
|Провода            |0,015    |1,46     |1,13     |1        |1,4      |
|Плата печатной     |0,7      |1,46     |1,13     |1        |1,4      |
|схемы              |         |         |         |         |         |
|Пайка навесного    |0,01     |1,46     |1,13     |1        |1,4      |
|монтажа            |         |         |         |         |         |

    Вероятность безотказной работы в  течении  заданной  наработки  tp  для
нерезервированных систем определяется из формулы(
    [pic]
    [pic]

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



смотреть на рефераты похожие на "Конструирование ЭВС"