Общая характеристика процесса конструирования эвм основные термины и определения
 Скачать 1.05 Mb.
|
 12 11 Рис. 5.1. Позиционный метод адресации Координатно-позиционный метод заключается в разбиении монтажного поля на зоны по координатному методу и присвоении адресов элементам внутри зоны позиционным методом (рис. 5.2).  105 104 103 102 101   204 203 202 201 304 303 302 301  Рис. 5.2. Кординатно-позиционный метод адресации 5. 4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ Персональные ЭВМ, микро-ЭВМ проектируются с использованием больших интегральных схем (БИС). БИС - это микропроцессоры, ЗУ, резисторные и конденсаторные сборки и т.д., имеющие 10000 и более элементов. Использование БИС влечёт следующие особенности проектирования: 1. Возможность реализации аппаратной части ЭВМ на одной объединительной плате. 2. Необходимость использования элементов различных размеров (корпуса БИС микропроцессоров, схем обрамления различны). 3. Необходимость введения конструктивных элементов, обеспечивающих расширение возможностей аппаратуры. 4. Область назначения ПК часто требует исполнения ПК во встраиваемом ваpианте, и тогда конструкция должна отвечать требованиям управляемой ею аппаратуры. Известны одноплатные процессоры. Например, ПП 115х75 мм; 96 контактный разъем; 3 БИС, реализованы в керамических корпусах с 132 выводами. Конструктив персональной ЭВМ: шасси, монтажная плата, блок питания, каркас для гибких магнитных дисков. Конструкция следующая: 0 уровень- микросхемы и ЭРЭ; 1 уровень- плата; 2 уровень- корпус частичный или корпус комплектный. Типоразмеры ПП следующие: 4U = 144,5 x 160 (220) мм; 8U = 322,5 x 160 (220) мм. ПП часто поставляется отдельно. Пример ПП (рис. 5.3): разъёмы для субблоков панельки для МС  место для установки разъёма Рис. 5.3. Печатная плата Типоразмеры частичных корпусов формируются из стандартных рядов, соответствующих рядам I уровня: 4U, 8U, 9U. В современных ПК используются 2 типа конструкций частичных корпусов. 1 тип- содержит 1 или 2 ПП и компонуется в комплектный кожухи корпус. 2 тип- используется в основном для компоновки блоков питания ЭВМ, размещается в комплектных корпусах стандартного типа, совместно с частичным корпусом 1 типа. Размеры корпусов определяют размеры передней панели корпуса. В последнее время получили распространение конструкции частичных корпусов без передней панели, т.е. кассеты. Кассеты компонуются внутри комплектных корпусов вертикально или горизонтально. Частичные корпуса в комплектные монтируются по направляющим, по стандартной схеме компоновки. Но частичные корпуса могут компоноваться отдельно, в самостоятельные варианты. Соединение кассеты с комплектным блоком осуществляется с помощью соединителей, устанавливаемых на кроссплате. Нужно отметить, что при любой компоновке необходимо соблюдать стандартные решения, обеспечивающие установку в комплектный блок, корпус шкафа, стойки, кожуха, установки на столе. 5.5. РАЗМЕЩЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Итак, иерархический принцип построения ЭВМ позволяет каждый модуль спроектировать оптимально, изготовить самостоятельно. При разбиении схемы на уровни учитывают: оптимальные размеры модулей различного уровня, иерархию этих уровней, число внешних выводов модулей и назначение модулей нижнего уровня в модуле высшего уровня. Что это даёт? Это даёт оптимизацию количества типов модулей с учётом ограничений по стоимости, надёжности, простоте обслуживания, минимизацию числа выводов у модулей, система модулей обеспечивает минимальное время диагностики и локализации неисправностей, учёт требования минимизации числа соединений между модулями и т.д. После выбора оптимального типоразмера модулей приступают к компоновке модулей другого уровня модулями предыдущего уровня и их размещению. Задача размещения заключается в отыскании для каждого модуля проектируемого устройства оптимальной позиции на монтажной плоскости. Цель создание наилучших условий для трассировки электрических связей. Исходными данными для решения задачи размещения являются размеры установочной плоскости, схема установочных мест с указанием расстояния между установочными местами, расстояние между модулями, и функциональная схема модуля высшего уровня для подсчета количества связей между модулями и элементами внешней коммутации. Критерий: минимум суммарной длины всех соединений; минимум длины самой длинной связи; минимум числа пересечений связей и т.д. При размещении может возникнуть несколько ситуаций: 1. Размещение однотипных модулей j уровня на монтажной плоскости (j+1)-ого уровня с заранее заданными однотипными установочными размерами. Пример: размещение микросхем на печатной плате. Однотипность размеров подразумевает то, что микросхема может быть помещена в любое гнездо на плате. 2. Размещение модулей разного типа j-ого уровня на монтажной плоскости (j+1) уровня с заранее определенными установочными размерами. Пример: установка микросхем, резисторов, конденсаторов на печатной плате. 3. Размещение модулей разного типа на монтажной плоскости, когда размеры не установлены и определяются в процессе размещения. Пример: размещение элементов на подложке интегpальной микpоcхемы. Размещение конструктивных элементов выполняется вручную или автоматизированным способом. При автоматизации размещения используются различные алгоритмы, например алгоритм перестановки, алгоритм последовательного размещения, итерационные алгоритмы и т. д. Наиболее распространён алгоритм последовательного размещения, при котором задача размещения решается следующим образом. Все модули упорядочиваются по какому-либо признаку. В установленной упорядоченности для каждого отыскивают начальную позицию ( критерий, например, суммарная длина связей с уже размещёнными). Процесс повторяется до тех пор, пока не будет получено размещение всех модулей. Алгоритм следующий: 1. Определение для каждого неразмещённого модуля множества незанятых позиций, в которые модуль может быть установлен с учётом числа свободных магистралей. 2. Размещение всех неразмещённых элементов с учётом n.1. 3. Нахождение варианта размещения, для которых самая длинная связь минимальна. 4.Установка модуля в найденную позицию, трассировка его цепей с уже размещёнными модулями. 5. Определение изменения ресурса свободных магистралей у каждой незанятой позиции. Переход к п.1. 6. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 6.1. ВИДЫ СОЕДИНЕНИЙ. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОНТАЖА В конструкции ЭВМ большое место занимают электрические соединения и электромонтаж: монтаж микросхем на ПП 1-ого уровня; объединение модулей 1-ого уровня в конструкции 2-ого уровня и т.д. Цель электрических соединений (электромонтажа) – обеспечить электрические сигнальные связи между входными и выходными цепями конструктивных модулей разлтчного уровня. Везде необходимо использовать различные методы выполнения соединений и монтажа для того, чтобы обеспечить электрическую и механическую неразрывность схем и ЭВМ. Число электрических соединений огромно, достигает десятков и сотен тысяч. Поэтому так важен правильный выбор типа соединения при разработке ЭВМ. Требования к электрическим соединениям: высокая надёжность; требуемые значения электрических параметров, их постоянство; минимальные габаритные размеры и масса; обеспечение нормальной работы электронных схем в условиях механических и климатических факторов; помехоустойчивость конструктивной реализации схемы; удобство и безопасность работы при эксплуатации и ремонте. Исходным документом является электромонтажная схема. Электрические соединения должны соответствовать техническим условиям, схеме и монтажной таблице. Электрические соединения разделяют на несколько видов: разъемные. неразъемные. Неразъемные соединения делятся на постоянные и полупостоянные соединения. Постоянные соединения это соединения, демонтаж которых приводит к разрушению одного или нескольких присоединенных выводов. Пример сварка. Полупостоянные соединения это соединения, демонтаж которых требует применения специальных инструментов, не приводит к разрушению выводов. Пример пайка, накрутка. Разъемные соединения это соединения с применением различных разъемов. Пример штепсельные контакты. По виду используемых проводников монтаж делят на печатный и объёмный. Печатный монтаж используется для электрического объединения микросхем в пределах плат первого уровня (ячеек, модулей). Микросхемы и другие ЭРЭ, вернее, выводы присоединяются к металлизированным отверстиям различными методами: сваркой, пайкой. Метод присоединения пайкой зависит от корпуса микросхемы и формы выводов. Монтаж сваркой тоже разный. Это двусторонняя точечная сварка, ультразвуковая, лазерным лучом и т.д. Но объединение ячеек в пределах блока или панели, использование дорогостоящих и неремонтопригодных многослойных печатных плат экономически невыгодно. Поэтому разработаны методы объемного монтажа: мягкий однопроводный и жгутовой; жесткий; накруткой; с помощью пружинных захватов; запрессовкой проводников; приваркой проводников. Последние четыре метода объемного монтажа разработаны специально для микроэлектронных устройств. Они позволяют получать надежные соединения с высокой плотностью расположения контактов. Мягкий монтаж одиночными проводниками используется для соединения внутри блока или панели. Один конец проводника монтируют на одном контакте, другой напрямую с небольшим натягом на другой контакт. Жгутовой монтаж это применение жгутов параллельно идущих проводов, связанных или уложенных в определённом порядке. Жёсткий монтаж используется редко для внутристоечных соединений, для подвода питающих напряжений. Для этого на монтажных платах устанавливают перфорированные платы во взаимно перпендикулярных направлениях, в которых крепят жёсткие проводники. Монтаж накруткой выполняется одножильным проводом на металлический штырь с острыми кромками. Накpутку оголённым проводом ведут с натягом, поэтому образуется в местах соприкосновения электрический контакт, стабильный во времени. Монтаж пружинными захватами это метод механического контактирования. Захват прижимает жёсткий или многожильный провод к контактному штырю со специальным покрытием с силой. Образуется соединение. Захват может быть разжат, снят, передвинут вдоль штыря и снова зажат. Монтаж запрессовкой проводников изолированный провод укладывают на плату, покрытую клейкой теpмоpеактивной пластмассой. Затем нагревают, подвергают давлению. Проводники оказываются запрессованными в тело платы. Соединение между проводниками получают сверлением в нужном месте и металлизацией отверстия. Монтаж приваркой проводников к запрессованным в плату штырям. Проводник приваривается к металлическим штырям, к которым с другой стороны приварены выводы микpосхем. 6.2. РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Разъемные соединения применяются широко в конструкциях ЭВМ. Контактные pазъемные соединения применяются для быстрой смены кассет, блоков при наладке и эксплуатации. Электрическое соединение осуществляется за счёт холодного контактирования пары штырь - гнездо. Главное требование к разъёму обеспечение надёжного соединения при воздействии допустимых климатических и механических факторов. Разъём состоит из вилки и розетки. Вилка - совокупность штырей контактных пар, имеющая законченное конструктивное исполнение. Розетка - совокупность гнёзд, имеющая законченное конструктивное исполнение. Разъём должен иметь небольшие габариты, массу, ключ и элементы крепления. В состав вилки часто входят ловители и элементы крепления разъёма, которые обеспечивают совмещение штырей и гнёзд при сочленении разъёма. Ключ предназначен для исключения возможности неправильного сочленения вилки с розеткой. В качестве ключа используются различные пазы и выступы в корпусе разъёма, несимметричное расположение штырей и пр. В ЭВМ применяются соединители для микросхем, разъёмы для ячеечных, межблочных и межкассетных соединений, кабельные и жгутовые разъёмы. Соединитель - основа для установки микросхем, других корпусов (резисторная сборка и т.д.) на ПП с целью облегчения замены, получения высокой плотности компоновки в сочетании с монтажом накруткой. Наборные соединители для ИС применяются для изделий с повышенной плотностью компоновки. Это одно- двухрядное расположение контактных пар гнездо-штеккер. Наибольшее число пар в ряду 25, шаг-2,5мм. Такие соединители рассчитаны на напряжение до 25 В,ток до ,15 А, контактное сопротивление не более ,02 Ом. Покрытие контактов золотое. Типов разъёмов для микросхем много. Есть разъёмы, в которых микросхемы монтируются без предварительной формовки выводов. Соединение такого разъема с ПП может быть различным. Это может быть непосредственное соединение розетки с проводниками ПП; соединение с контактами, отдельно смонтированными на ПП и т.д. Параметры таких разъемов-соединителей приведены в многочисленной литературе. В ЭВМ широко используются различные разъемы. Разъем на ПП устанавливается различным способом. 1 способ - непосредственное соединение проводников ПП с розеткой (непосредственное контактирование). Контакты ПП располагаются с двух сторон. Разъемы рассчитываются на определенную высоту, толщину платы и постоянное положение ключа (рис. 6.1). Плата/801 Количество выводов 96 (4хn), где n = 1 26 шаг 2,54 мм, H=148,5 мм, В=124,4 мм.  HB Рис. 6.1. Непосредственное контактирование 2 способ - косвенное контактирование, когда одна часть разъёма монтируется на плате. Косвенное контактирование выполняется с помощью различных разъёмов, например ГРПМ. ГРПМ - это самое надёжное соединение, наличие контактной гиперболоидной поверхности, образующейся между гладким цилиндрическим штырём и несколькими упругими бронзовыми проволочками, расположенными под углом 8° к образующей по внутренней поверхности гнезда (рис. 6.2). 80  Рис. 6.2. Разъем ГРПМ Обозначение разъема: ГРПМ 9 - 30 ГУ, где ГРПМ - разъем прямоугольный малогабаритный с гиперболоидными контактами; 9 номер разъёма; 30 число контактов, Г розетка; У - угловые выводы штырей запаиваются в металлизированные отверстия платы (рис. 6.3). Вилка обозначается буквой Ш.  Рис. 6.3. Розетка разъема ГРПМ Если ГРПМ 10 - 45 ШН, выводы припаиваются к контактным площадкам (рис. 6.4).  Рис. 6.4. Вилка разъема ГРПМ Итак, вилки разъёмов устанавливают на платы, панели, блоки и т.д; розетки устанавливают на рамки панелей, блоков и т.д. Электрическое соединение выполняют объёмным монтажом. Для межблочных соединений широко применяется разъём малогабаритный МР1. Число контактов 10, 19, 30, 50... При выборе разъёма прежде всего учитывают технические параметры, эксплуатационные характеристики, число контактных пар. Обычно необходимо предусмотреть резерв контактных пар (10% от необходимых, но не менее 2). Для электрического соединения ячеек, блоков, стоек в конструкциях используются кабельные соединения. Кабели подразделяют на: высокочастотные коаксиальные; плоские прессованные и плетёные; плоские гибкие печатные. Высокочастотные коаксиальные кабели типа РК предназначены для работы в цепях с частотой более 1 МГц. Марка состоит из 2 букв и трёх чисел,где 1 волновое сопротивление, 2 номинальный диаметр в мм, 3 вид изоляции и порядковый номер разработки: РК-50-2-13 РК 50 2 13  волновое сопротивление диаметр 1 полиэтилен 50 ом 2 мм 3 Nо разработки Для обозначения типа изоляции используются 1 полиэтилен; 2 фторопласт; 3 полистирол. Прессованный гибкий кабель совокупность одинаковых паралельных проводников, запресованных в гибкий диэлектрик. Перед монтажом концы проводников кабеля зачищают. Часто используется гибкий кабель типа ПВПмс, в котором электрическая связь образуется тремя проводниками: 1 сигнальный и два заземлённых, проводники запрессованы в полиэтиленовую оболочку толщиной ,1мм. Плетёные кабели совокупность проводов, переплетённых изолирующей нитью. В кабель могут быть вплетены провода различного сечения и типов витые пары , экранированные и одножильные провода. Используются провода марок ГФ, МГТФ и связующие нити лавсановые или капроновые. Прессованные или плетеные кабели устанавливаются с одной стороны платы, зачищенные проводники впаиваются в металлизированные отверстия или навиты на металлические штыри. Они применяются в пределах блока , панели, стойки. Превосходят по технологичности , удобству монтажа , наладки и ремонту мягкий, жгутовый монтаж. Печатные кабели (шлейфы) выполнены из тонкого гибкого фольгированного диэлектрика. Они сгибаются в рулон, сворачиваются. Изготавливаются методами печатного монтажа , используются для передачи высокочастотных импульсных сигналов. При использовании печатного кабеля необходимо уделять внимание оформлению концов и закреплению на плате. После закрепления поджимается пластинкой или специальной колодкой. 6 . 3 . МОНТАЖ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАМЕНЫ И ЯЧЕЕК Основной конструктивной единицей ЭВМ является ячейка, предназначенная для механического и электрического объединения элементов первого уровня. Она состоит из печатной платы, на одной или двух сторонах которой могут быть размещены ЭРЭ, ИС, микросборки. В зависимости от плотности компоновки навесных элементов и сложности их коммутации применяются ОПП, ДПП, МПП. Рассмотрим конструктивно-технологические особенности ячейки. Для монтажа элементов предусмотрены монтажные металлизированные отверстия круглой или прямоугольной формы, центры которых располагаются в узлах координатной сетки. Это требование предъявляется и к штыревым выводам. Если много выводов, то хотя бы один вывод должен располагаться в узле координатной сетки. Диаметр металлизированного отверстия выбирается в зависимости от диаметра выводов навесных элементов. Монтажное отверстие для плоского вывода выбирается по диаметру окружности, описанной вокруг сечения вывода. Для обеспечения высокого качества пайки, надежности соединения различие между диаметрами вывода и отверстия должно состав лять: диаметр вывода 0,4;0,6;0,8 ¦ 1,0;1,2;1,5;1,7 разница диаметров 0 ,4 ¦ 0 ,6 Не рекомендуется на одной плате иметь более 3 различающихся по диаметру отверстий. Если сборка плат автоматизирована, то требования еще более ужесточаются: - расстояние между выводами и отверстиями ,2мм; - предельное отклонение расстояний между центрами монтажных отверстий не должны быть больше, чем 0,1 мм; - базовые отверстия для ориентации платы d=3,0 + ,05мм располагаются на одной из длинных сторон платы. Отклонения между центрами базовых отверстий не более +0,1 мм. Допускается в качестве базовых отверстий использовать крепежные отверстия, если их точность и допуск на расположение соответствуют базовым отверстиям. На платах ячеек устанавливают ИС различных серий, дискретные ЭРЭ, корпус а разъемов, крепежные и другие элементы. Ячейки, предназначенные для логических схем, содержат ИС от 10 до 150 шт. и небольшое количество ЭРЭ. Специальные ячейки, предназначенные для формирования, усиления сигналов, содержат преимущественно дискретные ЭРЭ, а также гибридные и полупроводниковые ИС. Для повышения технологичности сборки рекомендуется использовать минимальное число разнотипных ЭРЭ, типоразмеров ИС; использовать элементы, не требующие дополнительного крепления на плате. Рассмотрим размещение элементов на ПП. Корпусные ИС размещают на ПП рядами или в шахматном порядке с шагом установки, кратным 2,5мм, и определяемым конструкцией корпусов, плотностью компоновки, температурными условиями и т.д. Для ИС в корпусах с планарными выводами шаг установки может быть принят 1,25мм. Зазор между корпусами должны быть не менее 1,5мм. ИС со штыревыми выводами устанавливают с одной стороны, с планарными выводами с двух сторон. Известны различные варианты установки ИС (рис. 6 . 5 ). Эскиз корпуса Установка прокладка |