Разработка, выбор и обоснование конструктивных составляющих синтезатора

    В соответствии с техническим заданием на дипломное проектирование цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов представляет собой плату помещенную в корпус. Этот прибор должен позволять формировать л.ч.м. – сигналы и работать в составе л.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Применение печатных плат, позволяет улучшить следующие параметры:

1) надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;

2) технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;

3) плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;

4) быстродействие;

5) помехозащищенность элементов и схем.

Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполненкак на поверхности, так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).

В качестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т.д.). Проводящий рисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).

В зависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен ряд значений толщины оснований печатных плат: гибких (0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких (0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 мм). По конструктивному исполнению ПП классифицируются на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т.д.

При разработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:

первая:

конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

вторая:

схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметров линий связи;

третья:

теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод;

четвертая:

технологические: выбор метода изготовления, защита;

Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики; от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга.

В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.

Комбинированный метод.

Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 - 0,3 мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.

Конструирование печатных плат осуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокую производительность при конструировании и разработке конструкторской документации.

Особое значение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до несколькихдесятков. Однимииз основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79.ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.

Печатные платы должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних и внутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронного модуля, печатного узла), выясняют те из них, которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости.

При выборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующие факторы:

- возможность выполнения всех коммутационных соединений;

- возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;

- технико-экономические показатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС, такие как, стоимость, габариты.

Возможность выполнения всех коммутационных соединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочной способности и количества слоев ПП. При выборе типа ПП следует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышенной ремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационные способности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокой стоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.

Исходя из выше изложенного, а также анализируя схему электрическую принципиальную, можно заключить, что плата должна быть двухслойной. Это объясняется тем, что размеры платы не ограничены, число связей между элементами не очень большое. Так как в качестве навесных элементов используются интегральные схемы в корпусах с большим числом близко расположенных выводов, контактные площадки на печатной плате сближаются на столько, что между ними не возможно проложить необходимое число проводников. Исходя из особенностей технологического процесса изготовления печатных плат, можно провести всего лишь один проводник между выводами микросхем. Плата будет состоять из двух слоев. В каждом слое печатной платы группы проводников выполняют определенные функции: цепи питания, земли, сигнальные цепи. Введем в конструкцию платы на один слой питания и на второй слой земли. Это позволяет развязывать цепи питания по переменному току, а слой земли служит экраном от электромагнитных помех.

После выбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса - требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунок на основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы). Класс точности определяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактной площадки и другие. Естественно, что выбор определенного класса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы, а также из конструктивно-технологических и других соображений.

Толщину основания печатной платы H_п, в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и технологическими возможностями металлизации отверстий. Толщина печатной платы также зависит от конструктивных особенностей , а именно конструктивными особенностями разъема в который будет вставляться плата. Зазор между прижимными пружинами в разъеме составляет 1 мм , следовательно для надежного крепления H_п выберем равной 1,5 мм.

Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы [7]. Так как печатная плата двухслойная, то в качестве материала платы выберем стеклотекстолит СФ2 – 35 – 1,5.

С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются следующие: сплав Розе (1.5-3 мкм), сплав О-С (9-15 мкм), серебро-сурьма (6-12 мкм), палладий (1-5 мкм), никель (3-6 мкм), медь (25-30 мкм) и другие. В нашем случае мы выбрали сплав Розе.

Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и других смол, лаков, эмалей, сухих пленочных резистор [7].