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......................................................................... Подбор элементной базы.................................................................. Расчет теплового режима блока....................................................... Расчет массы блока.......................................................................... Расчет собственной частоты ПП...................................................... Расчет схемы амортизации.............................................................. Расчет надежности по внезапным отказам...................................... Литература........................................................................................

3 4 5 13 13 14 16 18

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 о
C;

- 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)³ 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”, Iвх 0 , мкА, не менее	-0.1	-0.1
Входной ток в состоянии “1”, Iвх 1 , мкА, не более	0.1	0.1
Выходное напряжение “0”, Uвых 0 , В, не более	0.3	0.3
Выходное напряжение “1”, Uвых 1 , В, не менее	8.2	8.2
Ток потребления в состоянии “0”, Iпот 0 , мкА, не более	0.3	0.3
Ток потребления в состоянии “1”, Iпот 1 , мкА, не более	0.3	0.3
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р 1,0 , нс, не более	200	200
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р 0,1 , нс, не более	200	200

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

Напряжение источника питания, В	5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более	50
Выходной ток Iвых 0 и Iвых 1 , 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 о C
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
:

где P0
- мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;

Sк
- площадь внешней поверхности блока.

Для осуществления реального расчета примем P0
=20 Вт, тогда

2. По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dtк
= 10 о
С.

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

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

4. Для определяющей температуры tm
= t0
+ 0.5 Dtk
= 30 + 0.5 10 =35 o
C рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где Lопр
i
- определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

g - ускорение свободного падения;

gm
- кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна gm
=16.48 × 10-6
м2
/с

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 ak
.
i
:

где lm
- теплопроводность газа, для воздуха lm
определяем из таблицы 4.10 [1] lm
= 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 sк
:

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

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

Так как d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dtк
= 15 о
С.

11. После повторного расчета получаем Dtк,о
= 15,8 о
С, 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 qз
:

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

2. По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dtз
= 18 о
С.

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

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

где eз
i
и Sз
i
- степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, eз
i
= 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 eп
= 0.405 и тогда

4. Для определяющей температуры tm
= 0.5 (tк
+ t0
+ Dtk
)= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 o
C и определяющего размере hi
рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где Lопр
i
- определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

g - ускорение свободного падения;

gm
- кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна gm
=17.48 × 10-6
м2
/с

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

* для боковой поверхности

где lm
- теплопроводность газа, для воздуха lm
определяем из таблицы 4.10 [1] lm
= 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);

Sl
- площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;

Кs
- коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем:

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

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

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 lэкв
= lп
= 0.3 Вт/(м К) , где lп
- теплопроводность материала основания печатной платы.

2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:

где S0
ИС
- площадь основания микросхемы, S0
ИС
= 0.0195 × 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 теплообменаa1
+ a2
= 18 Вт/(м2
К);

hпп
- толщина ПП.

4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемыдля 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 pR2
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;

кa
- коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая кa
= 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:

Dtв
- среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:

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

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

dз
i
- зазор между микросхемой и ПП, dз
i
= 0;

lз
i
- коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.

Подставляя численные значения в формулу получаем

5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТр
= -45....+70 о
С, и не требует дополнительной системы охлаждения.

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

Исходные данные для расчета:

Масса блока ИС	mис = 24 г = 0.024 кг
Плотность дюралюминия	rдр = 2800 кг/м3
Плотность стеклотекстолита	rСт = 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

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 - модульупругости, E = 3.2× 10-10
Н/м;

h - толщина пластины, h = 2 мм;

n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;

М - масса пластины с элементами, М = mпп
+ mис
× 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;

Ka
- 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

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.

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

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
x, 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:

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 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

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
x(f), мм	13	2	1	0.5	0.25	0.076
m(f)	1.003	1.118	1.414	2.236	4.123	13.196
s(f)= x(f) m(f)	13.039	2.236	1.414	1.118	1.031	1.003

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 l0
i
- 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	l0 i ,1/ч	k1	k2	k3	k4
Микросхема	0,013	1,46	1,13	1	1,4
Соединители	0,062 × 24	1,46	1,13	1	1,4
Провода	0,015	1,46	1,13	1	1,4
Плата печатной схемы	0,7	1,46	1,13	1	1,4
Пайка навесного монтажа	0,01	1,46	1,13	1	1,4

Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки tp
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.