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.