Описание схемы электрической принципиальной

 

При подключении устройства к PCI интерфейсу на плату диагностики подаётся питание 5В., под воздействием которого происходит обнуление всех регистров контроллера и устройство переходит в режим ожидания, запускается генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Сигналы с PCI шины компьютера AD0-AD15, C/BE0-C/BE3, CLK, RST, FRAME, IRDY, TRDY, IDSEL, DEVSEL, назначение которых приведено в приложении В, подаются на ПЛИС DD1, которая запрограммирована в соответствии см. приложение Г, на которой реализовано простейшее Target PCI устройство вывода по фиксированному адресу 080H. EPM3064ALC44-10 запрограммирована при помощи ПО фирмы Altera прямо в изготовленном устройстве через специальный разъем JTAG. Для программирования используется специальный кабель ByteBlaster MV, подключаемый к LPT порту компьютера. При каждом поступлении POST кода с шины PCI этот POST код защелкивается во внутреннем 8-разрядном регистре ПЛИС, преобразуется в шестнадцатеричный семи сегментный код и в последовательном виде через буферный элемент DD1:1 поступает на сдвиговые регистры DD2, DD3.

По сигналу загрузки DATA_STORE, проходящему изПЛИС через буферный элемент DD1:4, POST код переписывается из внутренних последовательных регистров DD2, DD3 в их внутренние параллельные регистры и, через ток ограничительные резисторы R9..R25, подается на сдвоенный семи сегментный индикатор HL3 для индикации. Кроме того, две точки на индикаторе HL3 служат для отображения состояния сигналов RST и CLK PCI шины компьютера. Свечение точки соответствует наличию активного сигнала синхронизации CLK шины PCI, зажигание левой точки - наличию активного сигнала RST шины PCI.

На элементах DD1:2, DD1:6, DD1:5, DD1:3 собран тактовый генератор, который обеспечивает независимость работы узла индикации в случае срыва генерации CLK PCI шины в неисправном компьютере. Так как на некоторых моделях материнских плат на PCI слотах отсутствует напряжение +3,3 В, то для питания ПЛИС на ИС DD2 собран стабилизатор напряжения +3,3 В. Светодиоды VD1-VD2, VD3 служат для индикации наличия напряжений питания +12 В; -12 В; +3,3 В; +5 В, в слоте PCI, в который подключена.

 

 

Расчетно-конструкторская часть

Расчет надежности

 

Надежность - это свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени при заданных условиях эксплуатации.

Надежность рассчитывается для того, чтобы определить, сколько времени изделие будет сохранять свою работоспособность при заданных условиях эксплуатации, то есть определение гарантийного срока службы изделия.

Различают три вида расчета:

-     прикидочный;

-     ориентировочный;

-     окончательный.

Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования, когда отработана схема, выбрана элементная база, определены все режимы работы элементов и известны условия эксплуатации. Обязательно оценивается гарантийный срок.

Для упрощения расчета надежности принимаются два допущения:

-     в устройстве имеется основное соединение элементов;

-     отказы носят случайный и независимый характер.

Расчет надежности осуществляется по формуле:

 

l_у = k_l×Sa_i×l_oi ×n_i^,                                                                                                                              (1)

 

где, λ_у - интенсивность отказов;

К_λ-поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации;

a_i-поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элементов и температура внутри блока;

λ_oi-интенсивность отказа элементов, работающих в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации;

n_i-количество однотипных элементов, работающих в одинаковом режиме при одинаковой температуре внутри блока.

Исходные данные для расчета интенсивности отказов занесены в таблицу 3.

 

Таблица 3

Наименование и тип элемента	Коли чество элемен- тов ni, шт	Интенсивность отказов номинальная λoi×10^-6 (1/ч)	Режимы работы		Попра вочный коэффи циэнтi	Интенсивность отказов действительная
			Кн	Темпе- Ратура °С		aiλoi10^-6(1/ч)	ai λoini10^6(1/ч)
Конденсаторы
КМ6	8	0,12	1	40	1	0.12	0,96
ESX	3	0,24	1		1	0.24	0,72
Резисторы				40
С2-10	27	0,1	1		1	0.1	2,7
Светодиоды
3Л365А	4	1,4	1		1	1.4	6,8
Индикаторы
АЛС335Б	1	0,1	1		1	0.1	0,1
Стабилизаторы
LM1117	1	0,5	1	40	1	0.5	0,5
Микросхемы
74HC14	1	0,1	1	40	1	0.1	0,1
EPM3064ALC44-10	1	0,2	1	40	1	0.2	0,2
74HC595	2	0,1	1	40	1	0.1	0,2
Пайка	118	0,004	1	40	1	0,004	0,47
Итого:							12,5

 

Так как устройство разработано, в основном, для ЭВМ, то поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации будет равен К_λ= 1.

Исходя из формулы (1) отказов будет равна:

λ_y=1.0×12.4×10^-6=12,4×10^-6 (1/ч).

Среднее время наработки до первого отказа определяется по формуле:

 

, (2)

 

Таким образом, исходя из формулы (2) среднее время наработки до первого отказа равно:

Тср =10⁶ / 12,5 =80645 (ч).

Для построения графика зависимости вероятности безотказной работы от времени рассчитывается значение вероятности безотказной работы по формуле:

 

Р(t) = e^-lt,                                                                                               (3)

 

При λ_y меньше 0.1 вероятность безотказной работы с достаточной степенью точности может быть рассчитана по формуле:

 

Р(t) = 1-l,t                                       (4)

 

Результаты расчетов занесены в таблицу 4.

 

Таблица 4

t, ч	0	10	100	1000	2000	5000	10^4	2·10^4	5·10^4	8·10^4	80645
λ·t	0	12,4×10^-5	12,4×10^-4	12,4×10^-3	0,248	0,062	0,124	0,158	0,395	0,992	0,999
P(t)	1	0,999876	0,99876	0,9876	0,9742	0,938	0,886	0,778	0,67	0,371	0,371

 

Зависимость вероятности безотказной работы представлена на рисунке 11, где по оси ординат берется линейный масштаб, а по оси абсцисс - логарифмический.

Гарантийный срок службы изделия определяется на уровне 0,7. При этом Р(t) устройства будет равен 0,355. Отсюда гарантийный срок службы будет равен:

tг = 0,355/l= 0,355/12,4 × 10⁶ = 28629 (ч).

Исходя из того, что в году 365 дней, и устройство будет использоваться 12 часов в сутки, гарантийный срок службы будут равен:

tг = 3,3 г.

 

Расчет печатной платы

 

Для Post Card изготавливается двусторонняя печатная плата из фольгированного стеклотекстолита марки СФ-2-50-1,5, так как он имеет высокую механическую прочность, влагостойкость, термостойкость и при сверлении отверстий шероховатость поверхности значительно меньше, чем у гетинакса, выдерживает неоднократную перепайку. Плата изготавливается комбинированным позитивным методом с сухим фоторезистом.

Параметры печатной платы можно разделить на электрические и конструктивные.

Электрические параметры - параметры, связанные с электрическими величинами:

-     ширина печатного проводника;

-     электрическое сопротивление;

-     паразитная индуктивность;

-     паразитная емкость.

Конструктивные параметры:

-     размеры печатной платы;

-     диаметр отверстий и их количество;

-     диаметры контактных площадок;

-     минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Ширина печатного проводника определяется по формуле:

 

, (5)

 

где, j - плотность тока, А/мм²;

h - толщина фольги, мм;

t - ширина печатного проводника, мм;- максимальный ток протекающий по проводнику, А.

Максимальный ток, протекающий по проводнику I = 0,0002 А. Толщина фольги h = 0,05 мм. Для ЭВМ берется плотность тока, равная 0,000035 А/мм.

Таким образом, исходя из формулы (5), минимальная ширина печатного проводника будет равна:

 

 

Выбор расстояния между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Поскольку материал для изготовления печатной платы фольгированный стеклотекстолит, то при рабочем напряжении до + 25 В минимальное расстояние между печатными проводниками может составлять (от 0,1 до 0,2) мм.

Учитывая малые расстояния между выводами микросхем и высокую плотность монтажа, выбирается третий класс точности изготовления печатной платы.

Основные параметры третьего класса точности:

-     ширина печатного проводника t = 0,25 мм;

-     расстояние между двумя печатными проводниками, S = 0,25 мм;

-     радиальная ширина контактной площадки, b = 0,1 мм.

Плата изготовлена комбинированным позитивным методом с сухим фоторезистом, следовательно, удельное сопротивление меди равно R = 0,02 Ом-мм²/м.

Сопротивление печатного проводника определяется формуле:

 

,                                                  (6)

 

где, 1 - длина самого протяженного проводника, 1=0,028 м.

Исходя из формулы, (6) рассчитано сопротивление печатного проводника:

 

 

Для выбора размера печатной платы нужно найти площадь печатной платы, которая определяется по формуле:

 

, (7)

 

где, F_эрэ-площадь, занимаемая ЭРЭ определяется по установочным размерам или площади, занимаемой элементом на плате, мм²;

F_то-площадь, занимаемая технологическими или крепежными отверстиями, мм²;

F_CB-площадь, которая не должна заниматься электрорадиоэлементами по конструктивным соображениям;

К₃-коэффициент заполнения печатной платы.

Исходные данные для определения площади, занимаемой ЭРЭ, занесены в таблицу 5.

Площадь, занимаемая технологическими и / или крепежными отверстиями, определяется по формуле:

 

                                                   (8)

 

Таблица 5

Тип ЭРЭ	Кол-во	Площадь занимаемая ЭРЭ, мм^2	Площадь занимаемая всеми ЭРЭ, мм^2
Конденсаторы КМ6 ESX	3 8	45 28,3	135 226.4
Резисторы С2-10	27	12	324
Светодиоды 3Л365А	4	8	32
Индикатор АЛС335Б	1	475	475
Стабилизатор LM1117	1	42	42
Микросхемы 74HC14 EPM3064ALC4 74HC595	1 1 1	128.7 307 128.7	128.7 307 128.7
Шина РCI	1	520	520
Монтажные отверстия для ЭРЭ	118	0.8	87.7
Итого Fэрэ			2406.5

 

Так как плата будет крепиться винтами М2,5, то диаметр технологического отверстия будет равен 2,7 мм.

 

 

Для проектируемой печатной платы POST Card F_CBравна 14,5.

Для проектируемой печатной платы POST Card F_CBравна 0.

Коэффициент заполнения печатной платы выбирается из следующих соображений:

-     если Кз менее значения 0,3, то, следовательно, компоновка плохая;

-     если значение Кз более 0,8, то усложняется обеспечение теплового режима и электромагнитной совместимости.

Исходя из выше сказанного, принимаем значение Кз равное 0,7.

Следовательно, площадь печатной платы:

 

 

Далее необходимо выбрать габаритные размеры печатной платы, при этом учитываются, что размеры сторон должны быть кратны 2.5. Принимаем длину платы 60 мм, а ширину 45 мм.

Реальный коэффициент заполнения печатной платы определяется по формуле:

 

                                                (9)

 

где, А - длина печатной платы;

В-ширина печатной платы.

Исходя из формулы (9), реальный коэффициент заполнения равен:

 

.

 

Определение диаметров монтажных отверстий производится, учитывая следующие требования:

-     диаметр монтажного отверстия должен быть такой, чтобы в него свободно входил вывод радиоэлемента;

-     его величина не должна быть слишком большой, иначе будет большой коэффициент непропайки.

Определяется этот диаметр по формуле:

 

d₀=d_B+D                                                                               (10)

 

Диаметр для 0,8 равен:

d₀=0,8+0,3=1,1.

Диаметр для 0,6 равен:

d₀=0,6+0,2=0,8.

гдеd_B - диаметр вывода ЭРЭ, мм.

Если d_B<0,8 мм, то  = 0,2 мм. Если d_B>0,8 мм, то  = 0,3 мм.

При d_B =0,6 мм,  = 0,2 мм=>d₀= 0,8. При d_в = 1,2 мм, = 0,3 мм=>d₀= 1,5.

Результаты расчета диаметров монтажных отверстий сведены в таблицу 6.

 

Таблица 6

Наименование	dB, мм	d0, мм
Конденсаторы КМ6 ESX	0,8 0,8	1,1 1,1
Резисторы С2-10	0,6	0,8
Светодиоды 3Л365А	0,8	1,1
Индикатор АЛС335Б	0,6	0,8
Стабилизатор LM1117	0,8	1,1
Микросхемы К133ЛА3 EPM3064ALC4 74HC595	0,6 0,6 0,6	0,8 0,8 0,8

 

Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

 

, (10)

 

где, b - радиальная ширина контактной площадки, мм;

d - предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

T_d - значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм;

T_D-значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм.

Согласно ГОСТ 23751-86 для печатных плат третьего класса точности: b = 0,1; для отверстий с диаметром до 1 мм с металлизацией предел отклонения диаметра d = 0,1 мм и, так как размер печатной платы по большей стороне меньше 180 мм, то T_d = 0,08 мм; Т₀ = 0,15 мм - для двусторонней платы.

Диаметр контактных площадок при диаметре отверстий 0,8 мм равен:

 

.

 

Диаметр контактных площадок при диаметре отверстий 1,1 мм равен:

 

 

Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для размещения нужного количества проводников определяется по формуле:

 (11)

 

где,  - диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладываются проводники, мм;

n - количество, прокладываемых проводников;

 - предельное отклонение ширины печатного проводника, мм;

Т_е - значение позиционного допуска расположения печатного проводника, мм.

Исходя из формулы (11), минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий, с диаметром 0.8 мм., для прокладки одного проводника равно:

 

 

Для двух проводников - 2,73; для трех - 3,28; для четырех - 3,83.

Исходя из формулы (11), минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий, с диаметром 1.1 мм., для прокладки одного проводника равно:

 

 

Для двух проводников - 2,93; для трех - 3,48; для четырех - 4,03.