Введення.

В даний час інтегральні мікросхеми (ІМС) широко застосовуються в радіоелектронної апаратури, в обчислювальних пристроях, пристроях автоматики і т.д. Цифрові методи та цифрові пристрої, реалізовані на інтегральних мікросхемах різного ступеня інтеграції, в тому числі на мікропроцесорних засобах, мають широкі перспективи використання в цифрових системах передачі і розподілу інформації, в телевізійній, радіомовної та іншої апаратури зв'язку. Сучасний етап розвитку науково - технічного процесу характеризується широкими застосуванням електроніки та мікроелектроніки в усіх сферах життєдіяльності людини. Важливу при цьому зіграло поява і швидке вдосконалення ІМС - основної елементної бази сучасної електроніки. З впровадженням ІМС значно знизилася собівартість радіоелектронних приладів, вони стали більш доступними і більш компактними і розширилося впровадження радіоелектроніки у розвиток науки і техніки.
На відміну від цифрових пристроїв деякі імпульсні пристрої, наприклад формувачі і генератори імпульсів різної форми виробляти серійно у вигляді інтегральних схем (ІС) економічно невигідно. Перспективний інший шлях - побудова імпульсних пристроїв на ІС широкого застосування тобто на логічних елементах, операційних підсилювачі та інших ІС спільно з навісними елементами. Це сприяє уніфікації елементної бази, еффетівному використання та комплексної мініатюризації радіоелектронної апаратури - висока надійність, малі габарити і маса, низька вартість і споживана потужність.

1. Загальна частина.
1.1. Призначення арифметично - логічних інтегральних схем.

Арифметично - логічні інтегральні мікросхеми, є невід'ємною частиною мікроелектронних цифрових обчислювальних пристроїв і призначені для виконання арифметичних і логічних операцій над числами, представленими в двійковому, двійковій - десятковому та інших кодах. Для виконання арифметичних операцій АЛУ будують на суматора.
Суматор називається пристрій, що виконує арифметичне додавання двох чисел, представлених сигналами на його входах. При необхідності суматори за допомогою деяких допоміжних операцій (зсуву числа, звернення коду числа) можуть виконувати алгебраїчне додавання, віднімання, множення, ділення, порівняння та інші дії з числами.

1.2. Класифікація суматори.

Суматори класифікуються за такими ознаками.
За основи системи обчислення чисел, з якими оперує суматор (двійкові, двійковій-десяткові та інші).
За способом обробки багаторозрядних чисел. Передача числа з одного місця в інше ЕЦОМ може виконуватися послідовно або паралельно. У пристроях послідовного дії цифри якого - або числа, починаючи з молодшого розряду, послідовно передаються в канал, що володіє ємністю в одну цифру. У пристроях паралельного дії всі цифри числа передаються одночасно, тому ємність каналу повинна бути N цифр. У такому пристрої передача всього числа здійснюється за такий же час як у послідовного одна цифра. Підсумовування може так само здійснюватися послідовно - паралельно і паралельно - послідовно.
За способом організації ланцюгів переносу.
За способом організації процесу підсумовування однорозрядною що підсумовує схеми (комбінаційний або накопичує типи).

1.3. Вибір та обгрунтування функціональної схеми.

Послідовно - паралельний тип суматора. (Дивись малюнок 1)

Кількість однорозрядних підсумкових схем у такому суматорі менше кількості розрядів у сумміруемих числах. Ці схеми з'єднані між собою в ланцюжок в порядку послідовного зростання розрядів. На входи суматора надходить група цифр молодших розрядів доданків, причому перенесення утворюється на вході старшої однорозрядною що підсумовує схеми, запам'ятовується відповідним пристроєм. Потім на входи суматора надходить наступна група доданків. Одночасно на відповідний вхід молодшої однорозрядною що підсумовує схеми надходить перенесення, який зберігається в запам'ятовує схемою.
Елементна база.
В якості елементної бази для побудови арифметичного пристрою використані ІМС серії К155ТМ2, К155ІР1, К155ІМ1.

К155ТМ2.
ІМС серії К155ТМ2 (Рис1) містять два незалежних D-тригера мають загальний ланцюг живлення
У кожного тригера є входи D, S і R, а так само компліментарні виходи Q і Q. Входи R і S - асинхронні, тому що вони працюють незалежно від сигналу на тактовій вході. Напруга живлення +5 В подається на контакт 14, а живлення 0В на контакт 7.
Параметри та експлуатаційні дані ІМС К155ТМ2 наведені в таблиці 1.



Рис1.

Таблиця1
Параметри Значення
 I0вх мА I1вх мА U0вих мА U1вих мА U харчування 16 0,04 2,4 0,4 5
Кантакт 1, 2, 3, 4, 10,11, 12, 13 - входи.
Контакти 5, 6, 8, 9 - виходи.
5 - загальний.
14 - харчування.

Для захисту схеми від електричних перешкод на виходи харчування ставиться електролітичний конденсатор К-53-14-1, 6В-6, 8 мкФ. Для захисту від низькочастотних перешкод, між контактами живлення і заземлення, ставляться керамічні конденсатори типу КМ-5б-Н90-0, 047 мкФ.
Електричні характеристики конденсаторів.
К-53-14-1, 6в-6, 8мкФ

ТАБЛИЦЯ 4
Параметри Значення
Uном 6,6 В
Гранично допустима температура + 80оС
Робоча температура + 20оС

КМ-5б-Н90-0, 47мкФ

ТАБЛИЦЯ 5
Параметри Значення
Uном 16В
Гранично допустима температура + 80оС
Робоча температура + 20оС


2. Спеціальна частина.

2.1. Опис роботи принципової схеми.
На входи А та В суматора (ДД3) послідовно починаючи з молодшого розряду подаються числа з чотирирозрядний регістрів (ДД1 і ДД2). Отримана сума з виходу суматора записується в регістр (ДД4). Отриманий в результаті перенесення записується Д - тригером (ДД5), з виходу якого він надходить на вхід вхідного перенесення суматора, для складання його з наступними розрядами.
2.2.Расчет параметрів.
2.2.1.Расчет споживання потужність.
ТИП ІМС I споживання mВт P споживання mВт
До 155 ТМ 2 31.5 157.5
До 155 ІМ 1 80 400
До 155 ИР 1 82 410
Споживана потужність.

2.2.2.Расчет швидкодії.
ТИП ІМС T затримки Ср н.с.
До 155 ТМ 2 25
До 155 їм 1 34
До 155 ИР 1 35

2.2.3 Розрахунок надійності.

Надійність - це властивість об'єкту виконувати задані функції, зберігаючи значення експлуатаційних параметрів у допустимих приделах відповідно до встановлених норм його експлуатації, ремонту, технічного обслуговування та транспортування.
Розрахунок параметрів надійності ведеться у два етапи:
1. Попередній розрахунок надійності вироби проводять на етапі ескізного проектування. У результаті попереднього розрахунку визначаються всі основні параметри:
а) Інтенсивність відмови виробів. Визначається за формулою 9.



Де N - число групи "компонентів надійності", що мають різні інтенсивності відмов.
io - інтенсивність відмови елементів у i - ої групи.
ni - кількість елементів у i - ої групи.

б) Час напрацювання на відмову визначається за формулою 10.



в) Імовірність безвідмовної роботи визначається за формулою 11.


де t - час роботи виробу.

У таблиці 8 наведені показники надійності виробів.
ТАБЛИЦЯ 8
Група елементів Інтенсивність атказа 1/час Кількість елементів 1/час io ni 1/час
 ІМС. Конденсатори: а) Керамічні. б) Електролітичні. Контактні розлучення. Пайка. Друкована плата. 0.01.10-5 0.062. 10-5 0.035. 10-5 0.02. 10-5 0.01. 10-5 0.1. 10-5 4 3 2 1 6 41 1 0.04. 10-5 0.124. 10-5 0.035. 10-5 0.12. 10-5 0.41. 10-5 0.1. 10-5


За формулою 9 отримаємо інтенсивність відмов для всього виробу:

За формулою 10 визначимо час напрацювання на відмову:



За формулою 11 визначимо ймовірність безвідмовної роботи для 100 годин, 1000 годин і 10000 годин.
P (100) = 0.9991
P (1000) = 0.9917
P (10000) = 0.9209

2. Остаточний розрахунок надійності.
Ведеться на етапі технііческого проектування. Формули для розрахунку показників ті ж, але слід враховувати електричний режим роботи схеми й умови експлуатації, вібрації і т.д.
В рамках курсового проекту для врахування впливу режиму роботи розраховується коефіцієнт нагрускі Кн за формулою 12, а температурний коефіцієнт береться рівний 1. Коефіцієнт навантаження для ІМС визначається за навантажувальної здатності (через коефіцієнт розгалуження).

де Кр.р - коефіцієнт розгалуження працівник (обчислюється).
Кр.н - коефіцієнт розгалуження намінальний.

Для конденсаторів коефіцієнт навантаження через напругу за формулою 13.


У таблиці 9 наведені паказателі надійності всього виробу
ТАБЛИЦЯ 9
ІМС Інтенсивність відмови Кн io. ni. Кн
 К155ТМ2. К155ІМ1. К155ІР1. К155ІР1. К155ІР1. Кероміческій конденсатор. Електролітичні конденсатори Плата. Контактні роз'єми. Пайка. 0.01. 10-5 0.01. 10-5. 10-5 0.01. 10-5 0.01. 10-5 0.062. 10-5 0.035. 10-5 0.1. 10-5 0.02. 10-5 0.01. 10-5 0.1 0.1 0.5 0.5 0.5 1 1 1 1 1 0.001. 10-5 0.001. 10-5 0.05. 10-5 0.05. 10-5 0.05. 10-5 0.062. 10-5 0.035. 10-5 0.1. 10-5 0.02. 10-5 0.01. 10-5


= 0.0887. 10-5 1/час.

= 149925,03 час.

P (100) = 0.9991
P (1000) = 0.9912
P (10000) = 0.9156

2.4 Конструкційний розрахунок друкованої плати.

На рис.6 показана двостороння друкована плата з металізованими отворами.

 
Рис 6
d - діаметр отвору.
dкп - діаметр контактної площадки.
S - відстань між контактними майданчиками або контактної майданчиком і провідником.
t - ширина друкованого провідника.
H - ширина друкованої плати.

Діаметр металізованих монтажних отворів, вибирається в залежності від діаметру вставляється в нього виходу і від товщини ПП.
У схемі два різних види діаметрів висновків. У ІМС і керамічних конденсаторів діаметри висновків складають 0.5мм.
У електричного конденсатора діаметр висновків становить 0.6мм.
Для забезпечення високої якості пайки і надійності з'єднання, різниця діаметрів висновків і металізованого отвори не повинно бути більше 0.4 мм.
При розробці конструкції ПП вирішують завдання розміщення елементів на ПП, трасування друкованих провідників, вибору методу виготовлення ПП.

2.4.1 Розрахунок геометричних розмірів.

Вибираємо ПП другого класу. Розрахунок геометричних розмірів ПП по осі X:
Lx = x1 + x2 + lx + tx (nx. 1)
Розмір ПП по осі Y:
Ly = y1 + y2 + ly + ty (ny. 1)
Крок розміщення ІМС по осі X:
tx = Lx + rx R
Крок розміщення ІМС по осі Y:
ty = Ly + ry R

де: x1 та x2 - крайові технологічні поля.
y1 і y2 - крайові захисні поля.
Lx та Ly - довжина і ширина ІМС.
nx і ny - число ІМС в ряду по осях "X" та "Y".
rx і ry - кількість кроків по осях "X" та "Y".

Формула для розрахунку прокладки у вузькому місці необхідної кількості провідників.


Ширина друкованого провідника вибирається з належної показників:
0.45 у вільних місцях плати
0.40 у вузьких місцях плати.