Параллельный программатор для микроконтроллеров Atmel серии АТ89

Тип:
Добавлен:

Содержание.

Техническое Задание.

Введение.

1. Разработка схемы электрической принципиальной программатора.

1.1. Описание работы программатора.

1.2. Модернизация схемы.

1.3. Параллельный интерфейс: LPT-порт.

1.4. Детали и конструкция.

1.5. Выбор серии интегральных микросхем.

2. Разработка конструкции программатора.

2.1. Выбор конструкции печатной платы и числа слоев.

2.2. Выбор материала печатной платы.

2.3. Конструкторско-технологический расчет элементов печатного монтажа.

2.3.1. Расчет элементов печатного монтажа по постоянному току.

2.3.2. Определение номинального значения монтажных отверстий.

2.3.3. Определение диаметра контактной площадки для двухсторонних ПП изготовленных комбинированным позитивным методом.

2.3.4. Определение ширины печатного проводника.

2.3.5. Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка.

2.4. Электрический расчёт печатной платы.

2.4.1. Определение падения напряжения на печатных проводниках.

2.4.2. Определение мощности потерь.

2.4.3. Определение взаимной емкости параллельных проводников.

2.4.4. Определение взаимной индуктивности печатных проводников.

3

6

7

7

11

13

17

18

20

20

22

23

23

24

24

25

25

26

26

26

26

26

28

2.5. Тепловой расчет печатной платы.

3. Проектирование печатного узла в САПР PCAD – 2001.

4. Расчёт показателей надёжности.

5. Технологические процессы при изготовлении печатной платы.

6. Программная поддержка программатора.

6.1. Программирование микроконтроллеров серии АТ89.

6.2. Исходный текст программы.

7. Моделирование схемы в САПР OrCAD 9.2

Выводы.

Литература.

29

32

34

42

42

44

63

66

67

Техническое Задание.

1) Основа для выполнения работы.

Основой для проведения расчетно-графической работы является задание, выданное преподавателем согласно приказа по кафедре и учебного плана на 8-й семестр.

2) Наименование и область применения.

Данное устройство предназначено для программирования микроконтроллеров серии АТ89С, выпускаемых фирмой Atmel. Также допускается возможность программирования низковольтных версий АТ89 LV.

3) Цель и назначение разработки.

Целью данной разработки является создание платы программатора микроконтроллеров серии АТ89. Данное устройство должно иметь ряд преимуществ по сравнению с другими аналогами и не содержать в своем составе микроконтроллеров.

4) Источник разработки.

Так как данный тип проекта проводится не впервые, в качестве источников разработки берутся ранее разработанные проекты. В качестве вспомогательного материала берется ряд напечатанных материалов различных авторов.

5) Основные этапы разработки.

Разработка конструкции имеет следующие основные этапы:

- изучение технического задания на изделие;

- выбор или обоснование типа печатной платы;

- выбор или обоснование класса точности;

- выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы;

- выбор материала основания печатной платы;

- размещение навесных элементов на печатной плате;

- трассировка проводников, размещение элементов проводящего рисунка на печатной плате, проверочные расчеты;

- разработка конструкторской документации.

6) Состав устройства.

Устройство состоит из печатного узла.

7) Технические требования.

7.1) Функциональные возможности устройства.

Данное устройство должно обеспечивать:

- программирование микроконтроллеров серий AT89C, AT89LV и AT89S;

- процесс программирования продолжительностью не более двух минут ;

- загрузка FLASH-памяти пордолжительностью 10…15 с.

Питание устройства осуществляется от автономных источников питания напряжением +12 В.

7.2) Требования к надежности устройства.

Среднее время наработки устройства на отказ составляет порядка 10000 часов.

7.3) Требования к уровню унификации и стандартизации.

При изготовлении устройства предусматривается максимальное использование стандартных и унифицированных деталей и изделий.

7.4) Требования к безопасности эксплуатации и обслуживания.

Руководствоваться общими требованиями к аппаратуре низкого напряжения по ГОСТ 12.2.007-75. Также производителем обеспечивается гарантийный ремонт изделия в случае выхода его из строя по вине производителя.

7.5) Требования к составным частям изделия, сырью, исходным и эксплуатационным материалам.

При изготовлении устройства используются материалы и электрорадиоэлементы отечественного производства.

7.6) Условия эксплуатации.

Климатическое исполнение и категория эксплуатации У2.0 по ГОСТ 15150-69.

7.7) Требования к транспортированию и хранению.

Группа условии хранения Л1 по ГОСТ 15150-69. Хранить в закрытых, отапливаемых и вентилируемых помещениях, в которых обеспечивается:

- Температура воздуха +1...+40°C.

- Относительная влажность воздуха 65% при температуре +20°С.

- Атмосферное давление 84... 106 кПа.

Транспортировать автомобильным и железнодорожным транспортом в транспортной таре.

8) Экономические показатели.

Экономические параметрыне рассматриваются.

9) Этапы разработки:

Наименование этапа

Сроки выполнения

Результат

Разработка технического задания

Техническое задание

Выполнение расчетов конструкции

Расчет параметров. Выводы по функциональности платы

Выполнение чертежа схемы электрическойпринципиальной

Схема электрическая принципиальная

Выполнение сборочного чертежа платы

Сборочный чертеж печатной платы

Выполнение чертежа печатной платы

Чертеж печатной платы

Разработка пояснительной записки

Пояснительная записка

Введение.

За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполнен­ные в виде БИС и включающие в себя все составные части «голой» микро-ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих или регулирующих систем.

Широкими возможностями при сравнительной дешевизне внимание радиолюбителей привлекают микроконтроллеры фирмы Atmel серии АТ89 с параллельным интерфейсом программирования. Микроконтроллеры серии АТ89 имеют полный набор команд (CISC) и полностью совместимы по ним с микроконтроллерами Intel 8051. К сожалению, многие распро­страненные сегодня программаторы для них непригодны. Нужен специализированный. В данном проекте описывается такой программатор, разработанный по рекомендациям фирмы Atmel, но на элемент­ной базе, выпускаемой предприятиями СНГ.

1. Разработка схемы электрической принципиальной программатора.

1.1. Описание работы программатора.

Запись в регистры DD2–DD5 ин­формации, поступающей от компьюте­ра по линиям DATA1–DATA8, происхо­дит по спадам импульсов отрицатель­ной полярности на входах С, поступаю­щих от дешифратора DD1. В регистре DD3 и части регистра DD4 хранят 13-разрядный адрес ячейки внутренней памяти микроконтроллера, в DD5 – байт данных, предназначенных для за­писи в эту ячейку, в DD2 и свободных от адреса разрядах DD4 – код управле­ния. В таблице 1[1] приведены режимы работы контроллера и соответствующие напряжения на выводах, временные диаграммы на рис. 1, а значения временных параметров указаны в таблице 2[1].

Таблица 1.

Режим

RST

ALE/

/UPP

Р2.6

Р2.7

Р3.6

Р3.7

Запись программы

1

0

5 и 12В

0

1

1

1

Чтение программы

1

0

1

1

0

0

1

1

Стирание программы

1

0

*

5 и 12В

1

0

0

0

Считывание кодов идентификации

1

0

1

1

0

0

0

0

*Для стирания программы длительность импульса должна быть не менее 10 мс

Цепь R13-C1 при включении пита­ния приводит регистр DD2 в исходное состояние, предотвращая случайное искажение содержимого памяти про­граммируемого микроконтроллера.

Шинный формирователь DD6 служит для передачи данных с выходов микро­контроллера на линии DATA1–DATA8. Выходы микросхемы DD6 не должны быть активными, когда LPT-порт рабо­тает "на вывод". Это учтено в

програм­ме, формирующей разрешающие сиг­налы на управляющих входах микро­схем.

Таблица 2.

Значение

Параметр

минимальное

максимальное

Fcl,MГц

3

12

tcl, НС

80

330

tAVGL

48*tcl

tGHAX

48*tcl

tDVGL

48*tcl

tGHDX

48*tcl

tehsh

48*tcl

tSHGL, мкс

10

tGHSL, мкс

10

tGLGH, мкс

1

110

t

48*tcl

tELQV

48*tc

tehqz

48*tcl

tGHBL, мкс

1

twc, мс

2

Резисторы R1–R12 уменьшают "звон", сопровождающий перепады сигналов на линиях LPT-порта и защи­щают его от перегрузок. Когда выходы элементов компьютера, подключенные к линиям порта, и выходы некоторых элементов программатора, в том числе самой программируемой микросхемы, находятся в высокоимпедансном со­стоянии, резисторы наборов DR1–DR3 поддерживают в соответствующих це­пях высокий логический уровень.

Программируемые микросхемы ус­танавливают в одну из двух панелей; АТ89С1051, АТ89С2051, АТ89С4051 в корпусе DIP-20 – в XS1; АТ89С51 и другие в корпусе DIP-40 – в XS2. Кварцевый резонатор 201 частотой 6 МГц с конденсаторами С4 и С5 необ­ходим, чтобы во время программирова­ния работал внутренний тактовый гене­ратор микроконтроллера, установлен­ного в панель XS2. Тем, которые уста­навливают в панель XS1, резонатор не требуется. На контакт 5 этой панели по­ступают тактовые импульсы, сформи­рованные программно.

Питающее напряжение на разъем Х1 программатора подают от внешнего ис­точника. Им может быть, например, се­тевой адаптер видеоприставки "SEGA Mega Drive-II". Хотя при номинальной нагрузке (1 А) его выходное напряже­ние не превышает 11В, при токе 70...90мА, потребляемом программа­тором, оно возрастает до 14...15 В.

Напряжение 5 В для питания микро­схем (в том числе программируемой) получают с помощью интегрального стабилизатора DA1. Напряжение на вы­ходе стабилизатора DA2 при низком ло­гическом уровне на выводе 18 шинного формирователя DD7 – 12 В. Точное значение устанавливают подстроечным резистором R21. При высоком логичес­ком уровне на выводе 18 открывшийся транзистор VT2 подключает параллель­но R21 еще один подстроечный резис­тор R19, что уменьшает выходное на­пряжение стабилизатора DA2 до 5 В.

Скорость нарастания напряжения на выходе стабилизатора после смены вы­сокого уровня на выводе 18 DD7 на низкий зависит от емкости конденсатора С14. При слишком большой его емкости и высокой скорости работы управляю­щего компьютера несколько младших ячеек FLASH-памяти микроконтроллера могут оказаться запрограммированны­ми с ошибками.

Выходное напряжение стабилизато­ра DA2 поступает на вывод 31 (EA/VPP) панели XS2 непосредственно, а на вы­вод 1 панели XS1 (RST/VPP) – через ключ на транзисторе VT1. При напряже­нии 12 В ключ открыт независимо от ло­гического уровня на выводе 16 регист­ра DD2. а при 5 В – только в случае, ес­ли этот уровень низкий.

Пониженная яркость свечения све­тодиода HL2 свидетельствует о напря­жении 5 В на выходе DA2 и о том, что программируемая микросхема нахо-

дится в режиме считывания кодов из ее памяти. В режиме стирания и записи в память напряжение возрастает до 12 В, яркость светодиода заметно уве­личивается. Это справедливо для всех микроконтроллеров, кроме тех, кото­рым напряжение 12 В не требуется. При программировании двадцати вы­водных микроконтроллеров будет включен и светодиод HL1.

Вилку Х2 программатора соединяют с розеткой LPT-порта IBM-совместимо­го компьютера кабелем длиной до 2 м. В компьютере должен быть включен расширенный режим работы LPT-порта (ЕСР/ЕРР). В современных системных блоках он действует по умолчанию. Ес­ли это не так, режим порта можно изме­нить, запустив при начальной загрузке компьютера программу BIOS SETUP (пункты меню "Integrated Peripherals"– "Parallel Port Mode").

1.2. Модернизация схемы.

При питании от маломощного сете­вого адаптера и пониженном сетевом напряжении на программатор может поступать всего 12...13 В. Для стабили­затора DA1 такая ситуация благоприят­на (на нем рассеивается меньшая мощ­ность). А вот стабилизатор DA2 может выйти из рабочего режима, в результа­те чего напряжение, подаваемое на программируемый микроконтроллер, упадет ниже допустимых 11,5 В. Опыт показывает, что микросхемы фирмы Atmel успешно программируются и при 10,5 В. Однако гарантировать этого нельзя.

Если применить в стабилизаторе микросхему КР1184ЕН2 или ее прото­тип LP2951CL фирмы National Semiconductor (имеется на многих ма­теринских платах компьютеров), можно добиться надежной работы программа­тора при уменьшении напряжения пита­ния до 11,8 В.

Стабилизатор собирают по схеме, изображенной на рис. 2, и подключа­ют к показанным на рис. 1 точкам А, Б и В. Микросхема DA2, транзистор VT2, резисторы R18–R21 и конденсатор С14 из программатора должны быть исключены.

Диод VD1 (см. рис. 2) при высоком логическом уровне в точке А закрыт, и выходное напряжение 5±0,03 В задает прецизионный делитель напряжения, находящийся внутри микросхемы DA1. При низком уровне в точке А диод открыт, резисторы R1 и R2 шунтируют од­но из плеч внутреннего делителя. Вы­ходное напряжение возрастает до 12 В (его регулируют подстроечным резистором R2). Конденсатор С1 подавля­ет выбросы напряжения при переход­ных процессах. Его емкость (аналогично конденсатору С14 на рис. 1) не должна быть слишком большой.

Микросхема КР1184ЕН2 имеет вну­тренний детектор понижения выходно­го напряжения, который срабатывает при его уменьшении более чем на 5 % от установленного значения. В резуль­тате открывается транзистор VT1 и включается светодиод HL1. Нагру­зочная способность выхода невелика, поэтому номинал резистора R4 умень­шать нельзя.

1.3. Параллельный интерфейс: LPT-порт.

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера –LPT-порт (Line PrinTer – построчный принтер).

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются от­носительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом – прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа, инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса ап­паратного прерывания по импульсу на входе Аск#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом.

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по сосед­ним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).

Data Register (DR) – регистр данных, адрес = BASE. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса (контакты разъема: 2 – 9). Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях.

Status Register (SR) – регистр состояния, представляющий собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес = BASE+1. Бит SR.7 инвертируется – низкому уровню сигнала соответствует единичное значение бита в регистре, и наоборот.

Назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема):

SR.7 – Busy – инверсные отображения состояния линии Busy (11);

SR.6 – АСК (Acknowledge) – отображения состояния линии Аск# (10);

SR.5 – РЕ (Paper End) – отображения состояния линии Paper End (12);

SR.4 – Select – отображения состояния линии Select (13). Единичное зна­чение соответствует сигналу о включении принтера;

SR.3–Error – отображения состояния линии Error (15);

SR.2 – PIRQ – флаг прерывания по сигналу Аск# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Аск# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.

SR[1-0] – зарезервированы.

Control Register (CR) – регистр управления, адрес = ВА5Е+2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его выходной буфер обычно имеет тип открытый коллектор. Это позволяет более корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются – единичному значению в регистре соответствует низкий уровень сигнала, и наоборот.

Назначение бит регистра управления: CR[7-6] – зарезервированы.

CR.5 – Direction – бит управления направлением передачи (только для портов PS/2). Запись единицы переводит порт данных в режим ввода.

CR.4 – ACKINTEN (Ack Interrupt Enable) – единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ackff – сигнал запроса следующего байта.

CR.3 – Select In – единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Selecting (17) – сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.

CR.2 – Init – нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Imt# (16) – сигнал аппаратного сброса принтера.

CR.1 – Auto LF – единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Auto LF# (14) – сигналу на автоматический перевод строки (LF – Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR – Carriage Return).

CR.0 –Strobe – единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Strobeff (1) – сигналу стробирования выходных данных. Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (Аск#) при установке CR.4 = 1. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтвер­ждает прием предыдущего байта.

Стандартный порт сильно асимметричен – при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена – Nibble Mode. В этом режиме, называемым также и Hewlett Packard Bitronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования.

В процессе начального тестирования BIOS проверяет наличие парал­лельных портов по адресам 3BCh, 378h и 278h и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS DATA AREA 0:0408h, 040Ah, 040Сh, 040Еh. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами LPT1-LPT4. В ячейки 0:0478h, 0479h, 047Аh, 047Вh заносятся константы, задающие выдержку тайм-аута для этих портов.

Поиск портов обычно ведется по базовому адресу. Если считанный байт совпал с записанным, считается, что найден LPT-порт, и его адрес помещают в ячейку BIOS DATA AREA. Адрес порта LPT4 BIOS самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются только три вышеуказанных.

Обнаруженные порты инициализируются – записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Initff, после чего записывается значение 00h, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса. Программное прерывание BIOS INT 17h обеспечивает следующие функции поддержки LPT-порта:

00h – вывод символа из регистра AL по протоколу Centronics. Данные помещаются в выходной регистр и после готовности принтера формируется строб.

01h – инициализация интерфейса и принтера.

02h – опрос состояния принтера.

При вызове INT 17h номер функции задается в регистре АН, номер порта – в регистре DX (0 – LPT1, 1 – LPT2...). При возврате после любой функции регистр АН содержит код состояния – биты регистра состояния SR[7:3] (биты 6 и 3 инвертированы) и флаг тайм-аута в бите 0. Флаг тайм-аута устанавливается при неудачной попытке вывода символа. Недостатки стандартного порта частично устраняют новые типы портов, поя­вившихся в компьютерах семейства PS/2.

Двунаправленный порт (Type 1 parallel port) – интерфейс, введенный с PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 – на ввод.

Порт с прямым доступом к памяти (Туре 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Этот тип был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с данным портом, требовалось только задать блок данных в памяти, подлежащих выводу, и вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.

1.4. Детали и конструкция.

Программатор собран на двусторон­ней печатной плате размерами 140x140 мм. Можно собрать программа­тор и на макетной плате навесным мон­тажом. Учтите, что конденсаторы С4, С5 и кварцевый резонатор ZQ1 должны быть расположены как можно ближе к контактам 18, 19 панели XS2. Свобод­ные входы микросхем DD1 (выводы 13–15), DD2 (вывод 8) и DD7 (выводы 15, 17) необходимо соединить с их об­щим выводом или выводом питания. Это повысит помехоустойчивость прибора.

Все цифровые микросхемы можно заменять их функциональными анало­гами серий К555, КР1533 или импорт­ными. Транзисторы VT1, VT2 – любые маломощные соответст­вующей структуры, желательно с мини­мальным падением напряжения на уча­стке коллектор–эмиттер открытого транзистора.

Подстроечные резисторы R19, R21 – СПЗ-19А. Наборы резисторов DR1–DR3 – НР1-4-9М могут быть за­менены на НР1-4-8М, на зарубежные серии 9А или на соответствующее чис­ло обычных малогабаритных резисто­ров указанных на схеме номиналов. Ре­зисторы R1–R12 можно разместить внутри корпуса вилки Х2.

Панели XS1 и ХS2 должны выдержи­вать многократную установку и изъятие микросхем. Лучше всего применить ZIF-панели (с нулевым усилием уста­новки), предназначенные для микро­схем с расстоянием между рядами кон­тактов 7,5 мм (XS1) и 15 мм (XS2). Годят­ся и универсальные панели, допускаю­щие установку как "узких", так и "широ­ких" микросхем.

Учитывая, что ZIF-панели в несколь­ко раз дороже всех остальных деталей программатора, вместе взятых, на пла­те предусмотрены контактные площад­ки для установки обычных, желательно с цанговыми контактами. Применять самые дешевые панели с плоскими кон­тактами нежелательно. После много­численных замен микросхемы такие контакты теряют надежность.

1.5. Выбор серии интегральных микросхем.

Выбор серии ИС для селектора выбора программ будем производить по матрице параметров. Выделим 3 наиболее подходящие серии: К155, К531 и К555. Качество серий будем оценивать по следующим параметрам: время задержки, потребляемый ток, коэффициент разветвления, коэффициент помехоустойчивости, условия эксплуатации (диапазон температур, вибрации, многократные удары) и стоимости. Определим коэффициенты значимости параметров и сведем все данные в таблицу 3.

Таблица 3.

Серия

Тип логики

Параметры

tзад

Iпотр

Кразв.

Кпом

Условия эксплуатации

Стои­мость

DT

Вибрации

Удары

К155

ТТЛ

30

60

10

0.3

80

10

20

1.2

К531

ТТЛШ

9

70

10

0.4

80

5

15

1.5

К555

ДТЛШ

20

14

20

0.5

100

5

15

2.1

S

Весовой коэф.

0.05

0.3

0.05

0.05

0.05

0.2

0.15

1.00

Составим матрицу параметров X:

Параметры матрицы Х должны быть приведены в таком виде, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее значение параметра серии интегральных схем. Параметры не удовлетворяющие этому условию пересчитываются по формуле (1.1) и записывается новая матрица Y:

Нормируем параметры матрицы Y по формуле (1.2) и запишем новую матрицу нормированных параметров А:

Определим значение оценочной функции для каждой серии ИС.

QK155=0.32; QK531=0.44; QK555=0.217

Лучшей серии интегральных микросхем соответствует меньшее значение оценочной функции Qi. Из данных расчетов следует, что стоит выбрать серию К555. Это объясняется в первую очередь малым током потребления, широким диапазоном температур и высокой прочностью, что очень важно для нашего программатора.

2. Разработка конструкции программатора.

2.1. Выбор конструкции печатной платы и числа слоев.

Выбор конструкции печатной платы (ПП) мы будем осуществлять по таким критериям:

ü габаритный;

ü критерий плотности рисунка печатных проводников;

ü материал основания;

ü число слоев;

ü технологичность конструкции.

Размеры ПП выбираются исходя из плотности компоновки размещения N (ИС/см2), которая зависит от размеров печатной платы, и исходя из требований к температурным диапазонам работы печатной платы, механической прочности, разрешающей способности фотолитографии, и др.

Геометрические размеры печатных проводников (ширина, расстояние между проводниками и др.) определяются классом плотности печатного монтажа. По этому критерию печатные платы делят на 5 классов. Исходя из всех основных требований к печатному узлу (быстродействие, минимальная стоимость и габариты, надежность) выбираем 3-ий класс плотности печатного монтажа:

ü плотность монтажа – средняя;

ü минимальная ширина проводника b, мм – 0,25;

ü расстояние между краями проводников S, мм – 0,25;

ü разрешающая способность RС, пр/мм – 2;

ü предельный размер печатной платы, мм – 200х200.

Оптимальным решением для данного устройства есть выбор двухсторонней печатной платы (ДПП) с металлизированными монтажными и переходными отверстиями. Этот тип плат характеризуется высокими коммутативными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы.

Применение ДПП позволяет значительно облегчить трассировку, оптимально разместить элементы навесного монтажа, уменьшить габариты платы, уменьшить расход материала, обеспечить надежность соединений.

2.2. Выбор материала печатной платы.

Материал ПП должен соответствовать ряду требований: высокие электроизоляционные свойства; механическая прочность; обрабатываемость; стабильность параметров под воздействием агрессивной среды; себестоимость.

Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества – гетинакс и стеклотекстолит.

В качестве материала основания был выбран двухсторонний фольгированный стеклотекстолит (СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316–78) толщина фольги – 35 мкм, толщина основы – 1,5 мм. Этот материал был выбран благодаря его высоким характеристикам: широкий диапазон рабочих температур (-60…+1500С), низкое водопоглощение (0,2%...0,8%), высоким объемным и поверхностным сопротивлением.

2.3. Конструкторско-технологический расчет элементов печатного монтажа.

2.3.1. Расчет элементов печатного монтажа по постоянному току.

1). Определение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току:

bmin = (2.1)

jдоп = 48 A/мм2 – допустимая плотность тока с hф= 35 мкм, изготовленных комбинированным позитивным методом;

t – толщина проводника: t =hф + hхм + hгм (2.2)

hхм – (0,0050,008) мм толщина химически осаждённой меди;

hгм – (0,050,06) мм толщина гальванически осаждённой меди;

t = 0,035 +0,0065 + 0,055 = 0,0965 мм

Imax – максимальный постоянный ток в проводнике определяем из анализа схемы:

Таблица 4.

К555ИР35

К555ИР23

К555ИД14

К555АП3

К555АП5

кол-во

1

3

1

1

1

I,mA

13.5

13.5

13

15

15

=13,6 + 3×13,6 + 13 + 15 + 15 = 193,5 mA.

bmin = = 0,042 мм

2). Определение минимальной ширины печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нём:

bmin = (2.3)

l – длина самого длинного проводника;

= 5% Епит; r = 0,0175 Ом×мм2

bmin = = 0,063 мм

2.3.2. Определение номинального значения монтажных отверстий.

d = (2.4)

– максимальный диаметр вывода конструктивного элемента;

– нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия;

r – разность между минимальным диаметром монтажного отверстия и максимальный диаметром вывода

Для ИС: d = 0,6+0,1+0,5 = 0,8

2.3.3. Определение диаметра контактной площадки для двухсторонних ПП изготовленных комбинированным позитивным методом.

Dmin = D1 min + 1.5hф + 0.03 (2.5)

D1 min – минимально эффективный диаметр площадки

D1 min = 2(bно+ dmax/2 + dq + dp) (2.6)

dmax = d + Dd + (0.1 ¸ 0.15) – максимальный диаметр просверленного отверстия (1.4.4.3);

Dd = +0,05 для d 1 мм – допуск на отверстия;

dq, dpдопуски на расположение отверстий и контактных площадок;

dmax = 0,8 + 0,05 +0,15 = 1

D1 min = 2(0,1 + 1/2 + 0,015 +0,005) » 1,2

Dmin = 1,2 + 1,5×1,5 + 0,03 = 1 » 1,3

Dmax = Dmin + (0.02 ¸ 0.06) = 1.32

2.3.4. Определение ширины печатного проводника.

Минимальная ширина печатного проводника для ДПП изготовленных комбинированным позитивным методом:

bmin = + 1.5hф +0.03 = 0,25 + 1,5×0,035 + 0,03 = 0,33

максимальная ширина:

bmax = bmin + (0.02 ¸ 0.06) = 0.33 + 0.02 = 0.35

2.3.5. Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка.

а) минимальное расстояние между проводником и КП:

S1 min = L0 – (Dmax/2 + dp + bmax/2 + dсп) (2.7)

L0 = 1,25 мм – расстояние между линиями координатной сетки, на которых расположены проводники и центры контактных площадок

S1 min = 1,25 – (1,32/2 +0,05 +0,35/2 + 0,05) = 0,315

б) минимальное расстояние между КП:

S2 min = L1 – (Dmax + 2dp) (2.8)

L1 = 2,5 мм – расстояние между центрами контактных площадок, кратное шагу координатной сетки

S2 min = 2,5 – (1,32 +2×0,05) = 1,08

в) минимальное расстояние между проводниками:

S3 min = L0 – ( bmax + 2dсп) = 1,25 – (0,35 + 2×0,05) = 0,8

При максимальном диаметре контактной площадки и координатной сетке 1,25 мм между выводами ИС можно провести печатный проводник.

2.4. Электрический расчёт печатной платы.

2.4.1. Определение падения напряжения на печатных проводниках.

.

r = 0,0175 Ом×мм2/м – удельное сопротивление меди;

lпрмахсамый длинный проводник.

2.4.2. Определение мощности потерь.

=2×3,14××10-6×52×0,002=0,045 мВт

f =1(для шины питания);

Еп – напряжение питания; F – суммарная площадь металлизации;

hпп – толщина печатной платы.

2.4.3. Определение взаимной емкости параллельных проводников.

(2.9)

(S=0,8 мм – зазор между краями проводников, lп – длинна взаимного перекрытия проводников).

.

2.4.4. Определение взаимной индуктивности печатных проводников.

(lшп – суммарная длина ШП и ШЗ)

Lшп = 2×880(2.3×lg+ 0.2235+0.5)×10-3 = 0,137 мкГн

Составленная схема печатных проводников удовлетворяет заданным условиям, так как полученные расчётные значения наиболее важных электрических параметров не превышает допустимых значений для данного типа печатной платы.

2.5. Тепловой расчет ПП

Компонентом с максимальной выделяющейся тепловой мощностью является микросхемный стабилизатор КР142ЕН5А.

Тепловая мощность, выделяемая микросхемой равна сумме мощностей, одна из которых собственно мощность, обусловленная начальным током стабилизации, другая - мощность равная произведению разности напряжений входа и выхода на ток потребления остальной части

РТЕПЛ = РСТАБ + РПОТР = UAK×ICTAБ + (UAKK - UПИТ) IИНД (2.11)

РТЕПЛ = 12×0,01 + 7×0,1935 = 1,4745 Вт.

Т.к. микросхема способна рассеивать тепловую мощность до 5 Вт, приходим к выводу о нецелесообразности применения радиатора. Но для улучшения теплового режима в качестве радиатора используем фольгу печатной платы.

3. Проектирование печатного узла в САПР PCAD – 2001.

Проектировщик узла ПП радиоэлектронных средств (РЭС) обычно вместе с техническим за­данием на проектирование получает на бумажном носителе и ис­ходную электрическую схему. При этом состав электронной биб­лиотеки с условными схемными обозначениями элементов в про­ектном подразделении может быть либо неполным, либо вообще отсутствовать. В этом случае такая библиотека должна попол­няться силами сотрудников самого подразделения. Поэтому про­ектировщик должен владеть всем арсеналом средств системы (от создания условных графических элементов схем до получения ри­сунка печатной платы) и уметь в нужный момент использовать тот или иной программный модуль.

В одном из вариантов использования модулей системы P-CAD 2001 при выполнении процедур проектирования узлов печатных плат порядок выполнения следующий.

1). Создание условных графических обозначений (УГО) отдельных эле­ментов электрических схем с помощью редактора символов Р-CAD Symbol Editor.

Графический редактор P-CAD Symbol Editor содержит набор команд, позволяющих создавать символы элек­трорадиоэлементов (ЭРЭ). Symbol Editor ра­ботает с файлами отдельных символов (.sym) и библиотек (.lib).

2). Разработка посадочных мест для всех конструктивных элек­трорадиоэлементов электрической принципиальной схемы с помощью редактора корпусов P-CAD Pattern Editor.

Графический редактор P-CAD Pattern Editor имеет набор команд, позволяющих создавать и редактировать посадочные мес­та для установки ЭРЭ на печатных платах. Программа работает с файлами отдельных посадочных мест (.pat) и библиотек (.lib).

Посадочное место (ПМ) — это комплект конструктивных эле­ментов печатной платы, предназначенный для монтажа отдельно­го ЭРЭ. В него входят в различных сочетаниях контактные пло­щадки (КП), металлизированные отверстия, печатные проводники на наружных слоях и гладкие крепежные отверстия. Кроме этого ПМ может включать в себя параметры защитной и паяльной ма­сок, элементы маркировки и графические элементы сборочного чертежа.

3). Упаковка выводов конструктивных элементов (перенос схе­мы на ПП) средствами программы P-CAD Library Executive.

При проектировании печатных плат необходимы сведения о схемных образах ЭРЭ и посадочных местах для них. Программы размещения и трассировки должны иметь информацию о соответствии каждого конкретного вывода условного графического обозначения выводу в корпусе элемента. В версии P-CAD 2001 эта работа выполняется автоматически программой Library Executive (Администратор библиотек). Для этого соответствующие данные заносятся в так называемые упаковочные таблицы, указывающие основные характеристики используемых ЭРЭ. В программе предусмотрены эффективные приемы работы, аналогичные приемам программных продуктов Microsoft Office. Эта программа не является графическим редактором. Она лишь сводит введенную ранее графическую информацию в единую систему — библиотечный элемент, в котором сочетаются несколько образов представления элемента: образ на схеме, посадочное место и упаковочная информация.

4). Разработка схемы электрической принципиальной с помо­щью графического редактора P-CAD Schematic.

Графический редактор P-CAD Schematic предназначен для разработки электрических принципиальных схем с использовани­ем условных графических обозначений элементов. При этом УГО ЭРЭ могут извлекаться из соответствующей библиотеки или со­здаваться средствами самой программы.

Если не разрабатывается узел печатной платы, то при вычерчи­вании схем берутся УГО элементов, не связанные с их конструк­тивной базой. Такая схема может использоваться как иллюстра­тивный материал. При возникновении необходимости разработки ПП ее надо дополнить соответствующей конструкторско-техноло-гической информацией.

При выполнении проекта с разработкой узла ПП схема должна формироваться из библиотечных элементов, которые включают полную информацию о конструктивных особенностях ЭРЭ и их посадочных местах на ПП.

5). Формирование контура печатной платы и размещение конст­руктивных элементов на ней с помощью графического редактора печатных плат P-CAD PCB.

Графический редактор P-CAD РСВ предназначен для выполне­ния работ, связанных с технологией разработки и конструирова­ния узлов печатных плат. Он позволяет упаковывать схемы на плату, задавать размеры ПП, ширину проводников и величину ин­дивидуальных зазоров для разных проводников, задавать размеры контактных площадок и диаметры переходных отверстий, экран­ные слои. Редактор позволяет выполнять маркировку ЭРЭ, их раз­мещения, неавтоматическую трассировку проводников и формиро­вать управляющие файлы для технологического оборудования.

Запуск программы осуществляется через кнопку «Пуск» с по­следующим выполнением в выпадающем меню команд программы P-CAD 2001 и P-CAD РСВ. В том случае, если на компьютере за­пущена одна из программ P-CAD 2001, необходимо щелкнуть ЛК по команде Utils. Откроется выпадающее меню, в котором неско­лько пунктов начинаются с аббревиатуры P-CAD. Щелчок мыши по P-CAD РСВ запустит программу. При этом действующая про­грамма не закроется, а только свернется, и к ней всегда можно бу­дет вернуться.

6). Трассировка проводников печатных плат:

- в ручном и интерактивном режимах средствами графиче­ского редактора печатных плат P-CAD PCB;

- в автоматическом режиме программами модуля P-CAD Autorouters, вызываемым из управляющей оболочки Р-CAD РСВ.

4. Расчёт показателей надёжности.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Данные для расчета надежности сведены в таблице 5, приведенной ниже:

Таблица 5. Параметры надежности элементов схемы

Наименование элементов

Ni

λоэ, ч-1

КН

at

aЭ

0KнataB

Микросхемы К555

8

0,02·10-6

0,6

3

10

2,88·10-6

Микросхемы КР142 ЕН

1

0,02·10-6

0,6

3

10

0,36·10-6

Резисторы С2-23

3

0,002·10-6

0,5

3

10

0,09·10-6

Конденсаторы керамические

1

0,03·10-6

0,25

3

10

0,225·10-6

Двухсторонняя печатная плата

1

0,2·10-6

1

3

10

6·10-6

Пайка выводов ЭРЭ

208

0,01·10-6

1

3

10

62,4·10-6

Контакт разъема

36

0,02·10-6

1

3

10

21,6·10-6

Ni – количество элементов;

λоэ – интенсивность отказов в нормальном режиме работы;

КН – коэффициент нагрузки; at – температурный коэффициент;

аЭ – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации; .

Коэффициенты нагрузки электрорадиоэлементов находятся по формулам:

ü для микросхем (4.1), где Iвыхmax – максимальный выходной ток; Iвхi – входной ток микросхем; n – число нагруженных входов;

ü для конденсаторов (4.2), где U – напряжение на обкладках;

ü для резисторов (4.3), где P – рассеиваемая мощность.

1) Среднее время наработки на отказ:

.

2) Вероятность безотказной работы устройства в течение 1 года работы: . Вероятность отказов за 1 год работы: .

3) Вероятность безотказной работы устройства в течение 5 лет работы: . Вероятность отказа за 5 лет работы: .

5. Технологические процессы при изготовлении печатной платы.

Электрические и механические свойства современных электронных узлов основываются на пространственной комбинации электропроводя­щих, полупроводниковых и изоляционных материалов определенного химического состава. Для производства ЭРЭ, электронных узлов и их соединений привлекаются все известные методы, которые обеспечивают возможность создания определенных материалов и их обработку при очень точном соблюдении геометрических размеров. Это связано с тем, что требования к физическому функционированию аппаратуры, опреде­ляемые техническим прогрессом, влекут за собой все уменьшающиеся допуски на геометрию этих элементов. В последние десятилетия методы травления, гальваники, печати, процессы легирования и диффузии, а также механическая обработка получили стремительное развитие. Так, например, в настоящее время с помощью травления получают металлические структуры с шириной линий в несколько микрон, а свер­лильный автомат для ПП позволяет за одну минуту просверлить свыше 2000 отверстий диаметром в несколько десятых долей миллиметра.

Необходимость изготовления большого числа элементов требует применения групповых методов обработки с очень высокой надеж­ностью. Поэтому большое значение имеют дальнейшая автоматизация, точность и исследование всех факторов, влияющих на ход технологи­ческих операций. Ниже рассматриваются отдельные операции техноло­гического процесса изготовления ПП.

1). Механическая обработка.

При изготовлении ПП используются механические методы обработ­ки для создания отверстий и внешнего контура, а также для очистки поверхности фольги и стенок отверстий. Речь идет о пробивке, резке, сверлении, фрезеровании, шлифовании и способах очистки. Выбор ме­тода производится с учетом обрабатываемого диэлектрика, требований к качеству обрабатываемой поверхности, а также экономичности в за­висимости от размера партии.

При резке необходимо учитывать быстрое изнашивание резца, в основном, при обработке материалов на основе стекловолокна. Так как некоторые связующие слоистых диэлектриков при низкой темпера­туре становятся хрупкими, а материалы заготовок при обработке склонны к расслоению, то в большинстве случаев необходимо работать с нагретыми материалами. При этом нужно учитывать влияние их теп­лового расширения на допуск в размещении отверстий. Общепринято считать, что структуру слоистых диэлектриков с помощью механичес­ких или термических воздействий изменять нельзя, так как в результа­те этого при дальнейшей обработке могут возникать дефекты, например при металлизации отверстий.

Бесстружечная обработка отличается особенно низкими затратами при использовании специальных инструментов. Кроме того, при этом исключается нагрев слоистых диэлектриков.

2). Производство покрытий.

Производство ПП известными методами (субтрактивным, адди­тивным, послойного наращивания), так же как и производство ИМ, не обходится без нанесения различных металлических и неметаллических покрытий. Видом покрытий, необходимой точностью, размерами основа­ния и покрываемой поверхности определяется большое разнообразие существующих методов нанесения покрытий. Для производ­ства ПП значение имеют только те из них, которые обеспечивают при массовом производстве нанесение покрытий толщиной от 1 до 70 мкм. Важнейшими методами получения металлических и неметаллических покрытий являются трафаретная печать и термовакуумное испарение. Для получения только металлических покрытий применяют химическую и гальваническую металлизацию, а для получения только неметалличес­ких покрытий — метод фотопечати (с нанесением фоторезиста погру­жением, вальцеванием и центрифугированием) и офсетную печать.

Рассмотрим более подробно субтрактивную технологию изготовления ПП.

Рис.1

По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получается травлением медной фольги по за

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.