Тенденции развитияконструкций электронных средств и факторы, определяющие их построение
Развитиеконструкций ЭС прошло уже четыре этапа. Смена каждого поколения обуславливаласьсменой элементной базы, в основном активных компонентов РЭУ и, как следствие,сменой метода и правил компоновки и монтажа.
Первоепоколение ЭС базировалось на ламповой технике и блочном методе компоновки имонтажа. Появление отечественных ламп относится к 1919 г. (Нижегородскаялаборатория под руководством М.А.Бонч-Бруевича), а начало радиовещания в СССР — к 1924 г.
Ламповаятехника непрерывно изменялась: лампы стеклянной и металлической серии,пальчиковые лампы, лампы серии «дробь» и «жёлудь». Блочный метод компоновки имонтажа заключается в выполнении конструкций крупных частей схемы в видемоноблоков, чаще всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах икоммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочно-жгутовым монтажом.
Сусложнением ЭС появились требования крупносерийного производства, дробленияконструкций на основе унифицированных функциональных узлов (УФУ). Такими первымиУФУ явились «Элемент-1» на печатном монтаже и лампах типа «дробь». Методкомпоновки от блочного перешёл к функционально-узловому.
К1954 г. появилось II поколенияконструкций ЭС – промышленная транзисторная техника (изобретение транзистораотносится к 1948 г.). Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы в корпусахТО-5, а УФУ «Элемент-1» — на УФУ «Элемент-2». Функционально-узловой метод сталдоминировать во многих конструкциях ЭС.
Впериод транзисторной техники возникло новое направление в конструировании ЭС –миниатюризация аппаратуры.
Уменьшилисьразмеры и масса пассивных ЭРЭ, транзисторов и трансформаторов, катушекиндуктивности и даже электронно-лучевых трубок.
Функциональныеузлы стали выпускаться в виде плоских и объёмных модулей, плоских и этажерочныхмикромодулей. Однако при сохранении за дискретными ЭРЭ основногоконструктивного элемента с частотой отказов λ= 10-6 ч-1 не смоглосущественно повлиять на надёжность ЭС, и при всё более увеличающейся ихсложности вероятность безотказной работы падала. Это противоречие былоразрешено с появлением интегральных микросхем (начало 60-х годов).
Третьепоколение ЭС характеризуется применением новой элементной базы –корпусированных ИС широкого применения и миниатюрными ЭРЭ на печатных платах свысокой разрешающей способностью (до 0,3 мм). Микросхемы, по своейфункциональной сложности представляющие функциональные узлы, выпускались в тегоды в металлических, пластмассовых и металлокерамических корпусахпрямоугольной и круглой формы со штыревыми и плоскими выводами.
Числовыводов не превышало 15. Микросхемы в количестве 20…30 штук компоновались напечатных платах со средними размерами 140×170мм, выводная коммутациякоторых осуществлялась стандартными разъёмами. Такая конструкция, наиболеехарактерная для цифровых устройств, получила название вначале субблока, апозднее – функциональной ячейки.
ЯчейкиЭВМ, выполненные по принципу базовых несущих конструкций, называют типовымиэлементами замены.
Применениемикросхем, изготовление которых основано на групповых методах получения целогонабора элементов на подложке или в объёме кристалла, позволяет резко повыситьнадёжность.
Так,частота отказов одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, равна частотеотказов всего лишь одного дискретного ЭРЭ, т.е. λис= λэрэ=10-6 ч-1.
Такимобразом, достижения в области микроэлектроники и её промышленного внедренияпозволили перейти к созданию нового поколения конструкций ЭС – к интегральнымэлектронным устройствам. Интегральные электронные устройства отличаются малымимассой и габаритами, высокой надёжностью, пониженным потреблением энергии,меньшей стоимостью, групповой автоматизированной технологией изготовлениякомпонентов и устройств, применением САПР при конструировании и подготовкепроизводства. Интегральные ЭУ проектируются на новых принципах схемотехники –микросхемотехники, в основе которой заложена микроэлектроника.
Далееминиатюризация шла по пути отказов от индивидуальных корпусов ИС и внедренияболее крупных подложек вместо печатных плат. Так появилась конструкция ЭС IVпоколения, которая использовалась в основном в космической и ракетной технике.
Кдостоинствам конструкций IVпоколения следует отнести уменьшение массы (в 3-4 раза) и объёма (в 5-6 раз)моноблоков, более высокую надёжность за счёт исключения стандартных разъёмов изамены их на гибкие шлейфы, а также сокращения числа паяных соединений(исключение выводов из корпусов), повышение вибро- и ударопрочности.
Кнедостаткам и трудностям в развитии IV поколения конструкций ЭС относятся повышенная теплонапряжённость вблоках и необходимость введения дополнительных теплоотводов (металлическихрамок), незащищённость бескорпусных элементов и компонентов МСБ от фактороввнешней среды и необходимость полной герметизации корпусов блоков с созданиеминертной газовой среды внутри них, более высокая стоимость за счёт сложного идефицитного технологического оборудования, более длительные сроки разработкииз-за необходимости разработки самих МСБ, как изделий частного применения,недостаточное количество специалистов этого профиля (как инженеров, так итехнического персонала).
Однакоразработчикам удаётся значительно улучшить не только качественныеэнергоинформационные параметры ЭС, но и в ряде случаев тактико-техническиехарактеристики объекта.
Появлениеновой элементной базы (функциональных компонентов, микрокорпусов ИС), новыхнесущих оснований (печатных плат из новых материалов с высокой разрешающейспособностью до 0,1мм и без металлизированных отверстий), новых способов сборкии монтажа (групповой автоматизированной сборки и пайки), новых принциповкомпоновки устройств из суперкомпонентов (интеграции на целой пластине) привелок созданию ЭС ещё более компактных, надёжных и с меньшей стоимостью, чемизвестные прототипы.
Конструкциитаких устройств, выполненные по принципам монтажа на поверхность и интеграциина целой пластине, можно отнести к пятому поколению.
Основноетребование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройствобыло эффективней своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования,степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности (рис. 1).
/>Рис. 1Показатели эффективности РЭА
В общем виде эффективность РЭА можно оценить основной целевой функцией:
/> ,
где
/>; />
Такаяфункция дает количественную оценку степени достижения поставленной цели ипоэтому называется целевой функцией. Элементами Zi множества Zявляются частные целевые функции, т.е. отдельные качественные и количественныепоказатели, определяющие пригодность применения РЭА в соответствии сназначением. Такими показателями для РЭА являются: масса, объем,энергопотребление, диапазон частот, быстродействие, чувствительность,коэффициент усиления, полоса пропускания, дальность действия, выходное напряжение,точность, электромагнитная совместимость, ударопрочность, влагостойкость,уровень унификации и миниатюризации, технологичность, безопасность,себестоимость, экономичность и т.д.
Из схемы разработкиэффективной РЭА (см. рис. 1.) видно, что конструкция РЭА влияет почти на всепоказатели и имеет решающее значение, поскольку она должна обеспечиватьустойчивое функционирование РЭА с необходимой точностью, надежностью ибезопасностью при наличии воздействия со стороны объекта, окружающей среды,человека – оператора, взаимодействия элементов РЭА через электромагнитное поле.
От того, насколькосовершенны конструкции и методы конструирования, во многом зависит прогресс врадиоэлектронике.
Успешноерешение проблемы формализации конструкторской деятельности возможно лишь при ееалгоритмизации и автоматизации с использованием математических методов, теорииграфов, алгоритмов, математического программирования, использования операций,вычислительных методов и др.
Однаиз основных особенностей процесса разработки новых моделей РЭА – переход ксистемным методам решения задач при проектировании РЭА. Системные методысвязаны с понятием «система».
Подсистемой будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств,частей, подсистем, совместно выполняющих заданные функции, решающих общуюзадачу в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития ипротиворечий. При системном подходе изучаемый проектируемый изготовляемыйобъект рассматривается как система.
Системныйподход базируется на рассмотрении изучаемого объекта во взаимосвязи сокружающими объектами. Его задачами являются исследование специфических связей,установление закономерностей, присущих отдельным типам систем, разработка наэтой основе определенных методов, их описание и изучение.
Сформулируемосновные положения системного подхода:
1.Параметрическое описание, которое является простейшей формой научного анализа.Оно представляет собой исследование любого объекта, которое базируется наэмпирических наблюдениях, описание свойств, признаков и отношений исследуемогообъекта к другим.
2.Структурноеописание исследуемого объекта, которое выполняют после выявления параметров.Оно предусматривает переход к определению подэлементного строения исследуемогообъекта. Основная задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи свойств,признаков, выявленных при параметрическом описании исследуемого объекта.
3.Функциональное описание исследуемого объекта, которое может быть выполненоисходя из функциональных зависимостей между параметрами (функционально –параметрическое описание) или частями объекта (функционально – структурноеописание). Специфика состоит в том, что функция части объекта задается наоснове характеристики всего объекта.
Использованиесистемного подхода упрощать процесс исследования. Особенность системного походазаключается в новой ориентации всего хода исследования, которое состоит встремлении построить целостную картину исследуемого объекта.
Системныйподход базируется на следующих принципах:
1.При исследовании объекта как системы описания его частей не имеетсамостоятельного значения, так как каждая часть объекта описывается неотдельно, а с учетом ее роли во всем объекте.
2.Специфика системного объекта не исчерпывается особенностями составляющих егочастей, а связана с характером взаимосвязей между отдельными частями.
3.Один и тот же исследуемый объект выступает как обладающий одновременно разнымихарактеристиками, параметрами, функциями, структурой. Проявлением этогоявляется иерархичность строения систем
4.Исследование системы, как правило, неотделимо от исследования условий ее функционирования.
5.При исследовании сложного объекта учитывается зависимость состояния частей отсостояния всей системы.
6.Анализ функциональной характеристики исследуемого объекта может оказатьсянедостаточным, так как весьма важно установить целесообразностьфункционирования системы.
Рассмотримв качестве примера системного объекта проектирование, компоновку РЭА.
Компоновка(от лат. «compono» — составляю) – составление изотдельных частей (компонентов) одного согласованного целого в соответствии сопределенным замыслом.
Применительнок радиоэлектронной аппаратуре компоновка – это процесс размещения впространстве или на плоскости основных элементов конструкции радиоизделия илиих моделей с установлением основных геометрических форм и размеров между ними.Компоновка является одной из основных задач разработки конструкции РЭА с цельюобеспечения необходимых требований ТЗ.
Навыбор компоновочного решения РЭА оказывают влияние ряд факторов, которые могутбыть объединены в условные группы, связи между которыми образуют так называемый«треугольник взаимосвязей» (рис.2). Эти связи могут проявляться непосредственноили косвенно.
Перваясвязь – это прямая информационная связь от индикаторных или звуковых устройств крецепторному аппарату человека-оператора. Эта связь присутствует как на этапахизготовления и регулировки аппаратуры, так и на этапе эксплуатации.
Вторая(обратная) связь позволяет оператору на тех же этапах воздействовать нааппаратуру с целью обеспечения ее нормальной работы при наличии тех или иныхвозмущающих факторов.
/>Рис. 2 Треугольниквзаимосвязей
Третья связь выдает оператору данные о существующей обстановке (кренсамолета, повышение температуры в автофургоне РЛС и т.п.), воздействуя на егопсихологическое состояние.
В случае отклонений от норм нормального жизнеобеспечения или полетасамолета оператор может непосредственно воспользоваться четвертой связью(включить вентилятор) либо использовать связи 2, 5 (устранить крен самолета спомощью РЭА).
Пятая связь может быть как непосредственной (управление полетом черезРЭА), так и косвенной (требование облегченного доступа к РЭА и т.п.). Болеесильной связью является шестая, которая накладывает часто весьма жесткиеэксплуатационные и габаритновесовые требования к РЭА.
К первой группе факторов («собственно РЭА»), которые нужно учесть прикомпоновке, относятся:
1. Принципиально – функциональные связи.
2. Энергетическо – весовые и энергетичеко – объемные требования.
3. Требование электромагнитной совместимости и минимальных паразитныхсвязей.
4. Требование обеспечения нормального теплового режима РЭА.
Эта группа факторов предопределяет так называемую «внутреннюю»компоновку РЭА.
Ко второй группе факторов («оператор»), учитываемых при компоновке дляобеспечения требований эргономики (согласование параметров оператора с РЭА иобъектом), относятся:
1. Количество и качество воспринимаемой информации.
2. Размеры, форма и расположение индикаторных приборов, органовуправления и контроля.
3. Форма и цветовая гамма индикаторного пульта.
4. Психофизиологические и антропометрические особенности и параметрыоператора.
Эта группа факторов определяет так называемую «внешнюю» компоновкурадиоаппаратуры.
К третьей группе факторов («объект») относятся факторы, обусловленныевоздействием внешней среды и особенностями условий эксплуатации, а такжекомплексом ТТТ на объект. Можно отметить главные из них, а именно:
1. Требование функционально – конструктивного расчленения на блоки к ихформе, объему, весу, положению центра тяжести.
2. Требования защиты от температуры внешней среды, влаги, механическихвоздействий, пыли, фонового излучения, биологической среды, пониженногодавления и т.п.
3. Требование создания определенного варианта компоновки комплекса РЭАна объекте, т.е. обеспечение заданного размещения конкретных блоков в заданныхместах и объемах.
Эта группа факторов влияет как на разработку «внутренней», так и«внешней» компоновки РЭА.
Таким образом, компоновка РЭА рассмотрена с учетом системных факторов,определяющих построение электронных средств.