Проектирование 4х разрядных АЦП на компараторах

Расчет тепловых полей внутри блока невозможен из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета. Расчет проводится для наиболее критичного элемента, т.е элемента допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону. Конструкция РЭА заменяется её физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру tн.з и рассеиваемую тепловую мощность Рн.з. Расчет теплового режима РЭА выполнен в программе «Тепловой расчет при естественной конвекции» (рисунок 3.1)Рисунок 3.1 – Окно программы «Тепловой расчет при естественной конвекции»Результаты расчета предоставлены ниже:Входные параметры:Этап 1 определение t корпуса:Геометрические размеры:Ширина блока, мм, L1 = 80Глубина блока, мм, L2 = 100Высота блока, мм, L3 = 25Параметры блока:Мощность, рассеиваемая в виде теплоты, Вт, Po = 0,1Наличие кожуха = отсутствуетПараметры окруж. среды:Температура, град. C, t = 5Давление, мм.рт.ст, p = 747Этап 2 Определение t нагретой зоны (н.з.):Характеристики нагретой зоны:Ширина н.з., мм, l1 = 80Глубина н.з., мм, l2 = 100Высота н.з., мм, l3 = 25Параметры блока:Площадь контакта рамки модуля платы с корпусом, мм^2, Sl = 620Давление внутри блока, мм.рт.ст, p2 = 747Наличие вентилятора внутри блока = отсутствуетЭтап 3 Определение t поверхности элемента:Параметры платы:Материал основания платы = СтеклотекстолитНаличие теплопроводных шин = отсутствуютТолщина модуля печатной платы, мм, bp = 1.5Сумма коэффициентов теплообмена, Вт/(м^2*K)), a1+a2 = 17Наличие двухстороннего монтажа = отсутствуетМатериал заполняющий зазор между основанием компонента и печатной платой = ВоздухЧисло компонентов, непосредственно влияющих на тепловой режим компонента, N = 1Параметры компонента:Площадь основания компонента, мм^2, Sois = 151,2Суммарная площадь всей поверхности компонента, включая радиатор, мм^2, Sis = 151,3Мощность компонента, Вт, Qis = 0,005Зазор между основанием компонента и печатной платой, мм, b3 = 0.5Расстояние от центра компонента до края печатной платы, мм, rkp = 38.9Параметры компонентов:Расстояние между геометрическими центрами анализируемого и 1-м компонентом, мм, r1 = 34Мощность, рассеиваемая 1-м компонентом, Вт, Qis1 = 0,005Расстояние от центра 1-го компонента до края ПП, мм, rkp1 = 20Площадь 1-го компонента с радиатором, мм^2, Sis1 = 115,3Площадь основания 1-го компонента, мм^2, Sois1 = 40Зазор между основанием 1-го компонента и ПП, мм, b3i1 = 1Материал заполняющий зазор между основанием 1-го компонента и ПП = ВоздухВыходные данные:Этап 1 Определение t корпуса:Площадь внешней поверхности корпуса блока, м^2, Sk = 0.025Удельная поверхностная мощность корпуса, Вт/м^2, qk = 0.4Перегрев корпуса блока в первом приближении, град. C, dtk = 0.1005Определяющая температура, град. C, tm = 5.05Коэффициент объемного расширения, bm = 0.003596Степень черноты поверхности корпуса e = 0.5Коэффициент лучеиспускания для поверхности корпуса ali = 2.438Теплопроводность воздуха, Вт/(м.К), am = 0.02475Кинетическая вязкость воздуха, м^2/c, vm = 1.372e-05Число Прандтля Pr = 0.706Плотность воздуха, кг/м^3, p = 1.271Число Грасгофа для нижней поверхности Grmn = 9628Число Грасгофа для верхней поверхности Grmv = 293.8Число Грасгофа для боковой поверхности Grmb = 9628Режим движения газа, обтекающего нижнюю поверхность = ламинарныйРежим движения газа, обтекающего верхнюю поверхность = переходный к ламинарномуРежим движения газа, обтекающего боковую поверхность = ламинарныйКоэффициент теплообмена конвекции для нижней поверхности akin = 1.062Коэффициент теплообмена конвекции для верхней поверхности akiv = 2.959Коэффициент теплообмена конвекции для боковой поверхности akib = 1.517Площадь нижней поверхности, м^2, Sn = 0.008Площадь верхней поверхности, м^2, Sv = 0.008Площадь боковых поверхностей, м^2, Sb = 0.009Тепловая проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой bk = 0.1068Коэффициент учитывающий атмосферное давление Kn = 1.001Коэффициент зависящий от коэффициента перфорации Kkp = 1Перегрев корпуса блока во втором приближении, град. С, dtko = 0.09378Ошибка расчета b = 0.07167Температура tk = 5.094Этап 2 Определение t нагретой зоны (н.з.):Площадь верхней поверхности н.з., м^2, S3v = 0.008Площадь нижней поверхности н.з., м^2, S3n = 0.008Площадь боковой поверхности н.з., м^2, S3b = 0.009Мощность рассеиваемая в н.з., Вт, P3 = 0.01Условная удельная поверхностная мощность н.з., Вт/м^2, q3 = 0.4396Перегрев н.з. относительно температуры, окружающей среды, град. C, dt3 = 0.2004Приведенная степень черноты верхней поверхности н.з., epv = 0.5Приведенная степень черноты нижней поверхности н.з., epn = 0.5Приведенная степень черноты боковой поверхности н.з., epb = 0.5Коэффициент теплообмена излучением между верхней поверхностью н.з. и корпусом, a3lv = 2.44Коэффициент теплообмена излучением между нижней поверхностью н.з. и корпусом, a3ln = 2.44Коэффициент теплообмена излучением между боковей поверхностью н.з. и корпусом, a3ln = 2.44Определяющая температура, град. С, tm2 = 5.147Коэффициент объемного расширения для воздуха, bm2 = 0.003595Число Прандтля, Prh = 0.706Кинетическая вязкость воздуха, м^2/c, vm2 = 1.373e-05Теплопроводность воздуха, Вт/(м.К), am2 = 0.02476Число Грасгофа для верхней поверхности н.з. Grhv = 9613Число Грасгофа для нижней поверхности н.з. Grhn = 9613Число Грасгофа для боковой поверхности н.з. Grhb = 293.4Коэффициенты конвективного теплообмена между н.з. верхней поверхностью и корпусом, a3kv = 2.919Коэффициенты конвективного теплообмена между н.з. нижней поверхностью и корпусом, a3kn = 0.3095Коэффициенты конвективного теплообмена между н.з. боковой поверхностью и корпусом, a3kb = 0.9904Удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу, Вт/(м^2*K), bh = 240Коэффициент, учитывающий кондуктивный теплообмен, Kb = 1Тепловая проводимость между н.з. и корпусом, b3k = 0.09574Коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, Kw = 1Коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Kh2 = 1.02Перегрев н.з. во втором приближении, град. С, dt3o = 0.2004Ошибка расчета второго этапа, b2 = 0.000224Температура н.з., град. С, t3 = 5.2Этап 3 Определение t поверхности элемента:Теплопроводность материала основания платы, Вт/(м*К), ap = 0.29Эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, aekv = 0.29Эквивалентный радиус корпуса компонентов, м, R = 0.006937Коэффициент распространения теплового потока, m = 197.7Коэффициент теплоотдачи от корпусов компонентов, ka = 50Среднеобъемный перегрев воздуха в блоке, град. С, dtb = 0.1471Коэффициент теплопроводности материала заполняющий зазор между основанием 1-го компонента и ПП, Вт/(м*K), a31 = 2.476Коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор между основанием компонента и ПП, Вт/(м*К), a3 = 2.476Перегрев поверхности компонента, град. С, dtis = 0.9542Температура поверхности компонента, град. С, tis = 5.9543.2Определение параметров надёжности проектируемого устройстваВероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в определенных условиях в пределах заданной продолжительности работы отказов не возникает[1].Так, как внезапные и постепенные отказы независимы, тогде: -вероятность безотказной работы по отношению к внезапным отказам за время t, при условии, что внезапных отказов не было;-вероятность безотказной работы;Произведем расчеты интенсивности отказов (БЛ, час-1), средней наработки на отказ (час) и вероятности безотказной работы Р(t) для системы ОПС.Данные о надежностных характеристиках элементов сведем в табл. 3.6. 3. интенсивность отказов платы вычисляется по формуле:,где Ni – количество элементов, i – интенсивность отказов элемента. Результаты расчета рабочих интенсивностей отказов элементов системы сведены в таблицу.Таблица 3.3 – Расчет надежности устройстваПодставляя в формулу данные из таблицы 3.3. получаем:БЛ = 14,3210-6 час-13. Средняя наработка на отказ:,Т = 69826,75 часов.3. вероятность безотказной работы за время t, равное 5000 часам равно:,P(t) = 0,97 > =0,95Таким образом, расчет показал, что требования по надежности, предъявляемые к разрабатываемому прибору, выполняются.Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание конструктивно-технологических требований, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех технических и эксплуатационных условийТехнологичность – это совокупность свойств изделия, которые позволяют изготовить данное изделие с минимальными затратами денежных средств, труда, материалов, в заданных производственных условиях.Нормативный комплексный показатель технологичности электронных блоков приведен в таблицеТаблица 3.3 Тип блоковКнопытный образец (партия)установочная сериясерийное производствоэлектронные0,4-0,70,45-0,750,5-0,95Согласно приведенным расчетам данное изделие является технологичным. Состав показателей должен быть минимальным, но достаточным для оценки технологичности конструкции и выбирается применительно к специфике изделия на основе гост 14.201-73. Оценим технологичность конструкции по комплексному показателю технологичности для хронометрической станции. Составим таблицу базовых показателей технологичности (Таблица 3.4).Определим комплексный показатель технологичности по формуле:, .Нормативный показатель технологичности конструкции охранного устройства согласно таблице 3.4 находится в пределах 0.5 - 0.7.Таблица 3.4 - таблица базовых показателей технологичностиУровень технологичности конструкции изделия определяется как отношение достигнутого показателя технологичности к значению базового показателя, заданного в тз:Ку = к/кб,это отношение должно удовлетворять условию: к/кб ≥ 1,Ку = 0.78/0.7 = 1.11.Вывод: условие технологичности выполняется. Конструкция технологична.ЗаключениеВ данном курсовом проекте была разработано устройство 4-х разрядного аналого-цифрового преобразователя. Система может быть легко модернизирована для решения различных функций посредством внесения изменений, что делает данное устройство универсальным и перспективным.В ходе выполнения курсового проекта был проведен анализ устройств АЦП, рассмотрены принципы их работы и выявлены достоинства и недостатки. На основе анализа выполнены структурная и принципиальная схемы системы управления, проведена разработка конструкции. При разработке была использована актуальная элементная база.Разработанное устройство полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВТрамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров.: Пер. с нем.– Киев.: «МК-Пресс», 2006. – 208с.; ил.Кравченко А.В. 10 Практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 1 – М.:Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008.–224с.; Ил.Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база/Масленников М.Ю., Соболев Е.А., Соколов Г.В., и др. - М.: Додека, 1993Сидоров И.Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник.- М.: Радио и связь, 1985.- 276 с.Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Справочник.- М.: Радио и связь, 1994.- 320 с.Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др.; Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981.- 656 с.Щербина А., Благий С. Микросхемные стабилизаторы серий 142, К142, КР142.-Радио, 1990, №8, с.89-90; №9, с.73-74.Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко.- 2-е изд. Минск: Беларусь, 1993.- 382 с.Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов и др.; Под ред. Э.Т. Романычевой. - М.: Радио и связь, 1989. - 448 с.