Модуль аналого-цифрового преобразователя

курсовая работа

3.6 Расчет платы на механические воздействия

Определяем частоту собственных колебаний печатной платы. В нашем случае печатную плату можно представить пластиной, закреплённой в четырёх точках. Тогда собственная частота колебаний пластины рассчитываются по формуле [1]:

, [1]

где а- длина платы , м ; b-ширина платы, м; а=0,185 м; b=0,060м;

М-масса платы с элементами, кг.

М=a*b*h*p*1,5,

где р- удельный вес материала, кг/м3;

М=0,185*0,060*0,002*2,05*1000*1,5=0,068 кг

D- цилиндрическая жесткость, Н*м:

,

Где Е- модуль упругости, Н/мм2; Е=3,02*10 Н/м;

h-толщина ПП, м; h=0,002 м.

v- коэффициент Пуассона, v=0,22;

=42 H*м;

Проверяем условие вибропрочности по правилу октавы f/f>2, где f - частота колебаний блока (f=70 гц)

1139/70=16>2,

следовательно, проектируемое устройство отвечает необходимым требованиям по вибропрочности.

Рассчитываем коэффициент динамичности для силового возбуждения

,

где Sв- амплитуда вынужденных колебаний; Zст- статическое смещение системы

под воздействием силы F0;

e=L/р,

где L- декремент затухания; L=6*10

e =6*10/3,14=0,019

з-коэффициент расстройки,

з=f/f0,

где f- частота возбуждения, f=70 гц; f0-частота собственных колебаний системы

f0=1139 гц;

з=70/1139= 0,06

Рассчитываем коэффициент динамичности для кинематического возбуждения

,

где x0-амплитуда вибросмещения основания;

.

Так как Кдин приблизительно равен 1, печатный узел будет устойчив к вибрациям.

Определим условную частоту ударного импульса щ

щ = /,

Где - длительность ударного импульса, с.

t =1/f=1/70=0,0143с,

щ =3,14/0,0143=219,6 рад/с,

Определяем коэффициент передачи при ударе.

Для прямоугольного импульса: Ку=2sin (р/2v).

Для полу синусоидального импульса: К у=2v/(v+1)cos(р/2v).

где v- коэффициент расстройки;

= щ/2f0 =219,6/2*3,14*1139=0,03,

К у= 2*sin(3,14/2*0,03)=0,147,

К у=2*0,03(0,03*0,03+1)cos(3,14/2*0,03)=0,041.

Рассчитаем ударное ускорение :

аууКу ,

где Hy-амплитуда ускорения ударного импульса, м/с;

Ну=147 м/c (исходя из 3 группы по механическим воздействиям);

ay=147*0,147=21,6 м/с,

ay=147*0,041=-6,03 м/с.

Определяем максимальное относительное перемещение.

Для прямоугольного импульса

Для полусинусоидального импульса

;

.

Проверяем выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

- для ЭРЭ ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е.

ау<aу доп ,

где aу доп определяется из анализа элементной базы,

Для конденсатора КМ10-23 ау.доп= 50 м/с2;

ау= 21,6 м/c<ау доп=50 м/с; следовательно выполняется условие

- для печатных плат с ЭРЭ

Zmax<0,003b,

где b-размер стороны ПП, параллельно которой установлены ЭРЭ, м

b=0,185

0,000058 м<0,003*0,185=0,00055, следовательно, условие выполняется.

Частным случаем ударного воздействия является удар при падении прибора.

Действующая при этом нагрузка находиться следующим образом.

Определяем относительную скорость соударения

V0=Vу+Vот,

где Vу= скорость прибора в момент соударения;

Vу=(2gH),

где Н- высота падения РЭС, м; Н=0,75 м;

g- ускорение свободного падения , м/c ; g= 9,8 м/c.

Vу=(2*9,8*0,75)=3,84 м/c

Определим скорость отскока.

Vот= VуКв,

где Кв- коэффициент восстановления скорости

Vот = 3,84*0,94=3,6 м/c

V0= 3,84+3,6= 7,44 м/с

Определяем действующее на прибор ускорение

ап=Vo/2Hy;

ап=7,44/2*0,75= 36,9 м/с.

Проверяемым условие ударопрочности по неравенству

aп<ап min,

где ап min= 40 м/c для наиболее уязвимого элемента исследуемой

электрической схемы.

36,9 м/c< 40 м/c - условие выполняется.

4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА

4.1 Расчет надежности по внезапным отказам

В начале для определённого класса объектов выбирается один из типов показателей надёжности: интервальный, мгновенный, числовой таблица 6 в [1]. Из нее выбираем, с учетом вида объекта (ремонтируемый с допустимыми перерывами в работе), числовые показатели надежности, т.е. mt - средняя наработка между отказами, mB - среднее время восстановления объекта, КГ - коэффициент готовности. Таким образом, при конструкторском проектировании РЭС не требуется рассчитывать все ПН, необходимо, прежде всего, определить вид объекта и выбрать те ПН, которые наиболее полно характеризуют надёжностные свойства разрабатываемого объекта.

Для дальнейшего выбора показателей надежности установим шифр из четырёх цифр, по рекомендации таблицы 4.21 [5]: 2312. Что соответствует: по признаку ремонтопригодности -- ремонтируемому (2), по признаку ограничение продолжительности эксплуатации-- режим использования по назначению - непрерывный (1), по признаку доминирующий фактор при оценке последствий отказа - факт выполнения или не выполнения изделием заданных ему функций в заданном объеме(2).

Исходя из этих данных определяются показатели надежности. Полученные результаты сравниваем с таблицей 6 [1]. Окончательно получаем, что в связи с тем, что блок ремонтируемый, восстанавливаемый, с допустимыми перерывами в работе, то ПН будут mt, mв, Кг, Т. е. мы выбрали числовые ПН: наработку на отказ - mt, среднее время восстановления объекта - mв, коэффициент готовности - Кг.

Ответственным этапом в проектировании надёжности РЭА является обоснование норм, т. е. допустимых значений для выбранных показателей надежности. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, от правильности результатов данного этапа зависит успех и смысл всех расчётов надёжности, т. к. здесь мы определяем, какое значение показателей надежности можно считать допустимым. Во-вторых, нет общих правил и рекомендаций для установления норм надёжности различных объектов, многое зависит от субъективных факторов и опыта конструктора. В-третьих, любая ошибка на данном этапе ведёт к тяжёлым последствиям: занижение нормы ведёт к повышению потерь от ненадёжности, завышение - от дороговизны. Итак, из таблицы 4.23 [5] мы определяем исходя из группы аппаратуры по ГОСТ 16019-78 - стационарная для статических сооружений; по числу ЭРЭ (1001-2000), что mt допустимая равна 3000 часов.

Таблица 5- Данные для расчета интенсивности отказов

Обозна-

чение на схеме

Тип

элем.

Кол.

элем.

Интенсив.

отказ Н.У.

Интенс-ивность

отказов

с учетом

коэффи.ц

С

Керам

Конденсатор

24

0,150

1,04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

11,9

С

Элект

Конденсатор

5

0,035

1.04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

0,58

DA

Микросхема

8

2,3

1.04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

61

DD

Микросхема

19

1,2

1,04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

75

R

Резистор

67

0,02

1,04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

4,5

VT

Транзистор

11

0,5

1,04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

18,3

VT

Полевой

1

0,84

1,04

1,03

1.07

2,5

1,16

1

2,8

XT

Разъем

40

0,1

1,04

1,03

1,07

2,5

1,16

1

13,3

Пайка

----

567

0,01

1,04

1,03

1,07

2.5

1,16

1

19

Надёжность РЭА в значительной степени определяется надёжностью элементов электрической схемы (ЭЭС) и их числом. Поэтому точность расчёта ПН проектируемого объекта относительно отказов, обусловленных нарушениями ЭЭС, имеет большое значение. Заметим, что к ЭЭС следует относить места паек, контакты разъёмов, крепления элементов и т. д. При разработке РЭА можно выделить три этапа расчёта: прикидочный расчёт, расчёт с учётом условий эксплуатации и уточнённый расчёт. Прикидочный расчёт проводится с целью проверить возможность выполнения требований технического задания по надёжности, а также для сравнения ПН вариантов разрабатываемого объекта. Прикидочный расчёт может производиться, и когда принципиальной схемы ещё нет, в этом случае количество различных ЭЭС определяется с помощью объектов аналогов. Исходные данные и результаты расчёта представлены в таблице 4. По данным таблицы рассчитываются граничные и средние значения интенсивности отказов, а также другие показатели надёжности.

Суммарная интенсивность отказов элементной базы

Время наработки на отказ

Расчёт безотказности конструируемого объекта с учётом условий эксплуатации аппаратуры, т.е. влияние механических воздействий, высотности и климатических факторов производится с помощью поправочных коэффициентов для интенсивностей отказов по одной из следующих формул: ;

где ?оэ - интенсивность отказов j-го элемента в номинальном режиме ( температура окружающей элемент среды 20?С, коэффициент нагрузки равен 1);

- поправочные коэффициенты, учитывающие соответственно воздействия вибрации, ударных нагрузок, климатических факторов (влажности и температуры) и высоты; k1,2,j- коэффициент, учитывающий одновременно воздействие вибрации и ударных нагрузок.

Значения интенсивностей ?оj и поправочных коэффициентов k?,j берутся из научно-технической литературы по надёжности РЭА. Для наиболее распространённых элементов и условий эксплуатации эти значения приведены в приложении [2].

Обозначим произведение поправочных коэффициентов для j-го элемента через , тогда

Исходные данные интенсивности отказов для расчёта электрической схемы с учетом условий эксплуатации заносятся в таблицу 2. Если в объекте имеется nj однотипных элементов, имеющих одинаковые значения и , то для всей электрической схемы интенсивность определяется по формуле :

На основе этого значения определяются другие показатели с учётом условий эксплуатации: .

Таблица 6 - Исходные данные для уточненного расчета с учетом условий эксплуатации

Номер и наим

элемента

Обозна-

чение

на схеме

Тип

элемента

К-во

шт.

Интенс.

отказов

с учет.

услов.

эксплуа

Уточненная

интенсив.

отказов.

Уточнен

интенсив

отказов

элементов

1

С

Керам.

Конденсатор

24

0,49

0,7

40

0,35

0,17

4,1

2

С

Электр.

Конденсатор

5

0,12

0,7

40

0,47

0,06

0,3

3

DA

Микросхема

8

7,64

1

30

0,95

7,26

58,1

4

DD

Микросхема

19

3,98

1

30

0,93

3,7

70,3

5

R

Резистор

67

0,067

0,8

30

0,88

0,059

3,9

6

VT

Транзистор

11

1,66

0,6

40

0,51

0,85

9,35

7

VT

Полевой

1

2,79

0,8

60

0,85

2,37

2,37

8

XT

Разъем

40

0,33

1

30

0,75

0,24

22,75

9

Пайка

----

567

0,033

1

60

0,82

0,027

15,3

Уточненная интенсивность отказов элементной базы

Время наработки на отказ

Для повышения надежности данного блока следует уменьшить коэффициенты нагрузки или заменить элементную базу на более надежную.

При отказе любой из частей модуля АЦП, блок перестает выполнять основные свои функции. Данный модуль является связующим звеном между цифровой и аналоговой частью блока. Модуль АЦП включен последовательно, остальные модули параллельно. При отказе любого из других модулей блок продолжает работу с потерей некоторого количества своих функций.

Уточнённый расчёт показателей безотказности производится, когда конструкция объекта в основном определена. Здесь, прежде всего, учитывается отклонение электрической нагрузки ЭЭС и окружающей их температуры от номинальных значений, кроме того, анализируется изменение ПН при используемой системе обслуживания. Интенсивности отказов элемента j-го типа уточнённая и всей схемы рассчитываются по формулам:

где aj - поправочный коэффициент, определяемый как функция коэффициента кн,j, учитывающего электрическую нагрузку, и температуры Тj для элемента j-го типа.

Коэффициенты нагрузки для резисторов и конденсаторов определяются соответственно по формулам:

где Wдоп , W - допустимая и средняя мощности рассеяния на резисторе; Uном ,UП - номинальное и постоянное напряжение на конденсаторе; Uим - амплитуда импульсного напряжения.

Для транзисторов в качестве Кн берётся максимальный из следующих коэффициентов:

Uкэ/Uкэ,д ; Uкб/Uкб,д ; Uэб/Uэб,д ; W/Wд,

где Uкэ, Uкб, Uэб - прямое напряжение между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, эмиттером и базой; Uкэ,д , Uкб, д, Uэб,д - прямое допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, эмиттером и базой; Wд , W - допустимая и рассеиваемая на транзисторе мощности.

Для диодов коэффициент нагрузки берётся с учётом коэффициентов по прямому току (Iпр), обратному току и напряжению (U), т. е.

Кн = max{ Iобр.раб./Iобр.ном.; Iобр.раб./Iобр.ном.; Uраб/Uном }.

Примем к расчёту, что отказы родственных РЭА показывают, что 60% всех отказов вызвано нарушениями ЭРЭ принципиальной схемы, 30% - ошибками конструкции и 10 % - нарушениями технологии изготовления и сборки. В этом случае Кк Кт,

где Кк и Кт- поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение интенсивности за счёт ошибок в конструкции и нарушений технологии соответственно. Коэффициенты Кк и Кт:

;

Тогда

Окончательно, с учётом всех видов отказов, получаем:? mt = 3125 ч;

Сравним с нормой: 3125 > 3000 ч. По полученным данным можно сделать вывод, что модуль АЦП по средней наработке на отказ может эксплуатироваться, но, учитывая не значительное превышение средней наработки над допустимой наработкой в дальнейшем, следует увеличить надежность элементной базы.

4.2 Оценка качества

Показатель качества , Бi - показатель базового образца; Дi - значение показателя оцениваемого образца, улучшение конструкции характеризуется увеличением показателя.

Для данного модуля рассматриваем 5 групп показателей для каждой группы , где mi - весовой коэффициент, ; , где k - число группы.

Таблица 7. Показатели качества.

Наименование

Числовое значение

Базов.

Оценв.

qi

mi

qimi

1. Группа назначения

1,1

Объем, м3

0,02

0,02

1

0,1

0,1

1,2

Масса, кг

3,5

2,8

1

0,1

0,1

1,3

Потребляемая мощность, Вт

30

25

1,2

0,2

0,24

1,4

Уровень миниатюризации

0,037

0,04

1,08

0,3

0,324

1,5

Быстродействие, мс

15

10

1,5

0,3

0,45

М1= 0,2 214 M1Q1=0.24

2. Группа надежности

2,1

Безотказность, ч

3000

3125

1,04

0,4

0,416

2,2

Долговечность, лет

5

5

1

0,3

0,3

2,3

Ремонтопригодность баллы

2

3

1

0,3

0,3

М2=0,2 =1.016 M2Q2=0.2

3. группа безопасности и эргономики

3,1

Безопасность, баллы

2

2

1

0,3

0,3

3,2

Гигеенические, баллы

2

2

1

0,2

0,2

3,3

Антропометрические, баллы

3

3

1

0,3

0,3

3,4

Психофизиологические, баллы

3

3

1

0,2

0,2

М3=0,1 =1 M3Q3=0.1

4. Группа эстетики

4,1

Выразительность, баллы

2

2

1

0,3

0,3

4,2

Рациональность формы, баллы

3

3

1

0,3

0,3

4,3

Целостность композиции, баллы

2

2

1

0,2

0,2

4,4

Совершенство производственного исполнения, баллы

2

3

1,5

0,2

0,3

М4=0,2 =1,1 М4Q4=0.22

5. Группа технологичности и унификации

5,1

Трудоемкость, нч

10,6

8,1

1,31

0,2

0,262

5,2

Материалоемкость, кг

6,93

6,3

1,1

0,2

0,22

5,3

Себестоимость, тыс.руб

9,93

9,2

1,08

0,2

0,22

5,4

Применяемость

0,5

0,6

1,2

0,2

0,24

5,4

Коэффициент технологичности

0,58

0,46

1,26

0,2

0,25

M5=0.3 =1.21 M5Q5=0.363

=1.11

Анализируя результаты сравнения полученных показателей качества базового и рассматриваемого образцов можно сделать вывод, что новый образец качественнее старого на 11%.

Делись добром ;)