Реферат: Конструирование ЭВС - Refy.ru - Сайт рефератов, докладов, сочинений, дипломных и курсовых работ

Конструирование ЭВС

Рефераты по радиоэлектронике » 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: 1 =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

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

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.