Обоснование выбора элементной базы

 

Основными требованиями, предъявляемыми к современному оборудованию и его компонентам, являются:

а) широкое использование цифровых методов обработки;

б) модульное построение аппаратуры;

в) самотестирование и диагностика;

г) сокращение потребляемой мощности;

д) улучшение массогабаритных характеристик.

Анализ приведенных выше требований показывает, что удовлетворить их может построение модулей только на базе микроэлектронных средств вычислительной техники. Их основными компонентами являются:

а) микропроцессоры и однокристальные микро ЭВМ

б) микросхемы и модули оперативной и постоянной памяти;

в) интерфейсные схемы.

Для снижения массогабаритных показателей, повышения надежности, упрощения технологии изготовления и облегчения работы с устройством возникает необходимость в построении схемы устройства ввода - вывода на базе ИМС большой степени интеграции и использование программируемых микроконтроллеров. Использование микроконтроллеров и микроЭВМ позволяет значительно упростить и облегчить проектирование, изготовление и эксплуатацию изделия.

Данное предприятие выполняет заказы министерства обороны. Выбор элементной базы является регламентируемой задачей, так как существует документ (перечень) разрешенных к использованию ЭРЭ.

Главным компонентом устройства управления МПС является микропроцессор. В качестве микропроцессора выбрана микросхема М1810ВМ86 с тактовой частотой и разрядностью данных в 2 байта, входящая в перечень разрешенных для использования в оборонной промышленности. Ее выбор обусловлен техническими требованиями, предъявляемыми заказчиком к устройству, а также оптимальным соотношением цена - соответствие требуемым характеристикам.

ОЗУ базируется на микросхемах 573РФ4А, каждая емкостью 64 Кбайт. Их выбор обусловлен дешевизной по сравнению с зарубежными аналогами и невозможностью использования таковых в устройствах оборонного назначения.

Выбор всех остальных компонентов обусловлен их оптимальным соотношением цена - соответствие характеристик техническому заданию по сравнению с другими отечественными и зарубежными аналогами, а также невозможностью использования зарубежных аналогов в аппаратуре оборонного назначения.

Далее приведены характеристики некоторых микросхем, входящих в состав ячейки устройства управления МПС.

Основные технические характеристики микросхем устройства:

1533 ТМ2 - два D-триггера со сбросом и предустановкой.

 

 

Preset	Clear	Clock	D	Q	-Q
L	H	X	X	H	L
H	L	X	X	L	H
L	L	X	X	H*	H*
H	H	_/~	L	L	H
H	H	_/~	H	H	L
H	H	L	X	Q0	-Q0

 

H* - неустойчивое состояние

 

Параметры	Значение
Выходной ток лог.1, мА	0,4
Выходной ток лог.0, мА	8
Входной ток лог.0, мА для входа D для входа Clock для входа Clear для входа Preset	- 0,2 0,2 0,4 0,4
Входной ток лог.1 (макс) мкА для входа D для входа Clock для входа Clear для входа Preset	- 20 20 40 40
Выходное напряжение лог.0 (I=Iмакс), В (I=4 мА), В	- 0,25-0,4
Ток потребления, мА	-2,4-4
Задержки распространения, нс
От "Preset" Q= L-->H	-13
От "Preset" - Q= H-->L	-15
От "Clear" - Q= L-->H	-13
От "Clear" Q= H-->L	-15
От "Clock" Q= L-->H	-18
Максимальная тактовая частота, МГц	34-
Длина импульса Clock (H)	14,5-
Длина импульса Clock (L)	14,5
Длина "Clear", Preset (L)	15-
Время предуст.д.анных до_/~	15-
Время удерж. данных после_/~	0-

 

1533АП5 - 2 4-разрядных неинверсных драйвера с 3 состояниями.

 

 

1G=H - выходы 1Yi переводятся в состояние с высоким импедансом.

2G=H - выходы 2Yi переводятся в состояние с высоким импедансом.

Все входы имеют встроенные триггеры Шмитта с гистерезисом 0.2 В.

 

Параметры	Значение
Выходной ток лог.1, мА	12/15
Выходной ток лог.0, мА	12/24
Входной ток лог.0, мкА	100
Входной ток лог.0 для входа Gi, мА	0,1
Входной ток лог.1, мкА	20
Выходное напр. лог.0 при токе 12 мА, В	-0,4
Выходное напр. лог.0 при токе=Iмакс, В	-0,5
Ток короткого замыкания, мА	30-112
Ток потребления (все выходы H) АП5, мА	-9-15
Ток потребления (все выходы L) АП5, мА	-15-24
Ток потребления (все выходы Z) АП5, мА	-17-27

 

1533ИД7 - демультиплексор 3 в 8 со стробом.

 

Параметры			Значение
Входной ток лог.0, мА для A-C для Gi			0,1 0,1
Входной ток логической 1, мкА			20
Выходной ток логического 0, мА			4/8
Выходной ток логической 1, мА			0,4
Выходное напряжение лог.0, В			0,4
Выходное напряжение лог.1, В			2,5-
Ток короткого замыкания, мА			30-112
Ток потребления, мА			-5-10
Задержки распространения, нс
От A,B,C Y= L-->H			-22
От A,B,C Y= H-->L			-18
От G Y= L-->H			-17
От G Y= H-->L			-17
C B A	G1 G2*	0 1 2 3 4 5 6 7
X X X	X H	H H H H H H H H
X X X	L X	H H H H H H H H
L L L	H L	L H H H H H H H
L L H	H L	H L H H H H H H
...	...	... ... ... ... ...
H H L	H L	H H H H H H L H
H H H	H L	H H H H H H H L

 

G2* - G2a+G2b

 

Логические микросхемы: 533ЛЛ1, 1533ЛН1, 1533ЛИ1, 1533ЛА3, 1533ЛЕ1, 1533ЛА2, 1533ЛА4.

 

1533ЛА2 1533ЛА4 1533ЛА3, 1533ЛИ1,533ЛЛ1, 533ЛА13

 

1533ЛН1 1533ЛЕ1

 

Параметры	533	1533
Отклонение напряжения питания от номинального,%	10	10
Выходной ток лог.0, мА	4	4
Входной ток лог.0, мА	0,4	0,1
При выходном токе, мА	0,4	0,4
Выходное напр. лог.1 мин., В	2,5	3
Выходное напр. лог.1 тип., В	3,4
Выходное напр. лог.0 макс., В	0,4	0,4
Выходное напр. лог.0 тип., В	0,25	0,25
Входное напр. лог.0 макс., В	0,7	0,8
Входное напр. лог.1 тип., В	2	2
Выходной ток к. з. мин., мА	20	15
Выходной ток к. з. макс., мА	100	70

 

Все приведенные выше характеристики микросхем удовлетворяют техническому заданию данного устройства, а сами микросхемы входят состав перечня компонентов, разрешенных для использования в аппаратуре оборонного назначения.

Пассивные элементы были выбраны из соображений близости поставщика и ценовых характеристик.

Расчет надёжности

 

Надежность - свойство электронной аппаратуры выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортирования

Ресурс - продолжительность работы ЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации.

Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности ЭА, называется отказом.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения подразделяют на внезапные (катастрофические) и постепенные. Постепенные отказы характеризуются временным изменением одного или нескольких параметров, внезапные - скачкообразно изменяющимися.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые.

По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся - многократно возникающий сбой одного и того же характера.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным на логической схеме надежности. Элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным параллельно.

1. Интенсивность отказов элементовс учётом условий эксплуатации изделий определяется по формуле:

 

l_i=l_0iK₁K₂K₃K₄a_i (T,K_н),

 

где l_0i - номинальная интенсивность отказов;

К₁ и К₂ - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;

К₃ - поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры;

К₄ - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха; при высоте над уровнем моря 0. .1 км.

a_i (T,K_н) - поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (Т) и коэффициента нагрузки (К_н).

2. Вероятность безотказной работы в течение заданной наработки (0,t_р) рассчитывается по формуле:

 

,

 

где n - число элементов.

3. При этом интенсивность отказов системы:

 

,

 

4. Среднее время наработки до отказа:

 

Т = 1/L.

 

1. Определим интенсивность отказов элементов:

Интенсивность отказов ЭРЭ, а также коэффициенты К₁, К₂, К₃, К₄ выберем из таблиц учебного пособия "Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры" (Е.М. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев).

Коэффициенты нагрузки K_н посчитаем по формулам, приведенным в данном учебном пособии для различных элементов РЭА.

Коэффициент a_i (T,K_н) для каждого элемента определим по графикам, приведенным ниже, в зависимости от коэффициента нагрузки K_н и температуры в 40 С°.

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Обобщенные зависимости поправочного коэффициента α_1,2

 

от температуры и коэффициента нагрузки:

а) для контактных элементов (разъемов, реле, переключателей и т.п.);

б) для соединений пайкой;

в) для резисторов;

г) для неполярных конденсаторов;

д) для изделий, имеющих обмотки;

е) для кремниевых высокочастотных транзисторов;

ж) кремниевых диодов;

з) для полупроводниковых цифровых интегральных микросхем;

Результаты подсчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5.

ЭРЭ	N	l0i ×10-6, 1/ч	ai	К1	К2	К3	К4	Kн	li ×10-6, 1/ч	lΣ i ×10-6, 1/ч
Логические микросхемы (533ЛЛ1, 1533ЛН1, 1533ЛИ1, 1533ЛА2, 1533ЛА3, 1533ЛА4, 1533ЛЕ1, 533ЛА13,)	9	0,075	1,9	1,04	1,03	1	1	0,53	1,37	50,25
Микросхемы со средней степенью интеграции (580ВА86, 580ВИ53, 580ИР82, 1533АП5, 1533ИД7, 1533ТМ2, М1810ВГ88, М1810ВМ86, М1810ВН59А, М1810ГФ84)	21	0,013	2,8					0,65	0,82
Конденсаторы керамические (С1. С39, С43, С44)	41	0,15	0,35					0,7	2,3
Конденсаторы танталовые (С40-С42)	3	0,6	0,35					0,7	0,67
Резисторы (R1-R23)	23	0,65	0,9					0,6	14,4
Разъем XS1	39	0,062	1,3					0,8	3,37
Резонатор кварцевый BQ1	1	0,27	0,9					0,7	0,26
Плата печатная	1	0,6	1,5					0,3	0,96
Пайка навесного монтажа	937	0,02	1,3					-	26,1

 

2. Определим интенсивность отказов системы.

 

 50,25×10^-61/ч

 

3. Определим среднее время наработки на отказ.

 

Т =1/L= 19900 ч

 

4. Определим вероятности безотказной работы в течение 3000ч:

 

Р (t_p) = exp (-50,25×10^-6×3000) = 0,86 = 86%

 

Вывод: Требования по надежности выполняются.