/
Автор: Перстряков В.Б. Аболтинь-Аболинь Г.Я. Гаврилов Б.Г. Шерстнев В.В.
Теги: электротехника теория и организация труда взаимоотношения между предприятием и персоналом, между работодателями и работающими, между трудом и капиталом радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) радиоэлектроника
ISBN: 5-256-00696-7
Год: 1992
Текст
В.Б.Пестряков,Г.Я.Аболтинь-Аболинь, '
Б.Г Гаврилов, В.В. Шерстнев .ьм > им мл ,ид
КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора В. Б. Пестрякова
Рекомендовано Комитетом по высшей школе
Министерства науки, высшей школы
и технической политики
Российской Федерации в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Конструирование и технология радиоэлектронных средств»
А
Москва
«Радио и связь» 1992
ББК 32.844
К 65
УДК 621.396.6.001.66:331.101.1 (075)
Рецензенты: кафедра радиотехнических устройств и систем Московского института электронного машиностроения (зав. кафедрой канд. техн, наук Б. В. Петров; д-р техн, наук Ю. Н. Кофанов; канд. техн, наук Л. Н. Кечиев; канд. техн, наук Н. Н. Грачев; канд. техн, наук И. В. Цирин; М. А. Зима); зав. кафедрой КРЭА и МЭ ЛЭИС им. проф. М. А. Бонч-Бруевича канд. техн, наук П. П. Гелль
Редакция литературы по электронике
Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для К 65 вузов/В. Б. Пестряков, Г. Я. Аболтинь-Аболинь, Б. Г. Гаврилов, В. В. Шерстнев; Под ред. В. Б. Пестрякова.— М.: Радио и связь, 1992.— 432 с.: ил.
ISBN 5-256-00696-7.
С позиции системного подхода рассмотрены значение и роль конструкции радиоэлектронных средств (РЭС) в радиоэлектронике. Приведены принципы и методология конструирования, рассмотрены принципы разукрупнения и конструирования печатных плат, блоков и шкафов, технические требования к конструкции, особенности РЭС в составе системы «человек — машина».
Изложены теория и закономерности, относящиеся к надежности, и комплекс внешних воздействий. Рассмотрены особенности РЭС различного назначения и организация работ по конструированию, затронуты перспективы развития конструкций РЭС.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Конструирование и технология РЭС».
2304030000-110 ’
К--------------50-92 ББК 32.844
046(01)-92
Учебное издание
ПЕСТРЯКОВ Владимир Борисович
АБОЛТИНЬ-АБОЛИНЬ Гинтаут Янович
ГАВРИЛОВ Борис Георгиевич
ШЕРСТНЕВ Вячеслав Викторович
КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Учебник
Заведующий редакцией Ю. Н. Рысев. Редактор П. И. Никонов. Художник переплета В. Я. Виг ант.
Художественный редактор В. И. М у сиенко. Технический редактор Т. Г. Родина. Корректор Г. Г. Казакова
ИБ № 1340
Сдано в набор 17.07.92. Подписано в печать 19.10.92. Формат 60x88 J/ . Бумага типогр. №2. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Усл. печ. л. 26,46. Усл. кр.-отт. 26,46. Уч.-й^д. л. 30,70. Тираж 3,2.00 экз. Изд. № 21544. Зак. № 847. С-110
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Набрано в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первой Образцовой типографии» Министерства печати и информации Российской Федерации. 113054, Москва, Валовая, 28.
Печать и изготовление тиража в Московской типографии № 4 Министерства печати и информации РФ. 129041 Москва, Б. Переяславская, 46 зак 2019
ISBN 5-256-00696-7
© Пестряков В. Б., Аболтинь-Аболинь Г. Я., Гаврилов Б. Г. , Шерстнев В. В., 1992
книга.
Введение, гл. 1, В. Б. Пестряковым
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга предназначена для изучения дисциплины «Кон- i струирование радиоэлектронных средств», являющейся заключи- "• тельной при подготовке конструкторов-технологов РЭС. Основная ее особенность — это системный характер. Она призвана развить, обобщить и взаимоувязать предшествующие конструкторско-технологические дисциплины.
Задача дисциплины и книги — оказать помощь студентам в изучении принципов синтеза конструкций или конструирования >, РЭС, выполняемого на современной и перспективной элементной' базе с учетом обеспечения эффективности проектирования и произ- g во детва, требований эксплуатации, на основе расширяющегося >. использования вычислительной техники, решения задач достижения высокого качества и надежности, патентной чистоты и конкурентоспособности, выполнения требований эргономики.
Конструирование РЭС примерно к 1955 г. сформировалось как , самостоятельное направление в системе конструкций и технологий ь технических средств разного назначения и как важнейшая область . радиоэлектроники. Все в большей мере определялась необходимость и созревали условия для формирования обобщений, ,> изложения методологии конструирования РЭС, чему и посвящена .i
2, 4, 5 (кроме § 5.6—5.9), 10 и 14 написаны < ; гл. 3, 11 и 13, а также § 5.9 и 12.5 —
Г. Я. Аболтинь-Аболинем; гл. 6, 7, 8 и 12 (кроме § 12.5), а также g § 5.6—5.8— Б. Г. Гавриловым; гл. 9 — В. В. Шерстневым.
3
ВВЕДЕНИЕ
Конструкции современных радиоэлектронных средств (РЭС) отличаются значительной сложностью и разнообразием. Они представляют сложный комплекс, состоящий из десятков и сотен тысяч элементов и устройств различных по свойствам и физическому содержанию функционирования, сложно механически и электрически соединенных между собой. Этот комплекс предназначен для преобразования сигналов, несущих информацию, и выдачи ее в необходимой для потребителя форме.
Целый ряд причин приводит к тому, что конструкция РЭС оказывается очень сложной. Действительно, в РЭС происходят сложные преобразования разнообразных сигналов по форме, частоте, фазе, длительности и т. п., в ее проводниках и элементах протекают токи и действуют напряжения от долей микровольт до киловольт, магнитные, электрические и электромагнитные поля с частотами от долей до 1010 герц.
Очень разный характер и уровень сигналов в разных проводниках и элементах, которые трудно разнести из-за ограниченных габаритов РЭС, могут приводить к значительному взаимовлиянию и искажениям информации.
Тысячи элементов с различными свойствами в условиях действия повышенной температуры, механических нагрузок, электромагнитных и других воздействий, а также за счет внутренних физико-химических процессов деградации, изменяют свои параметры и даже отказывают. Это приводит к искажению информации, к точности выдачи которой часто предъявляются очень жесткие требования, и к отказам. Действительно, в зависимости от назначения РЭС работают в условиях космоса, на самолетах, автомобилях и т. п., в разных климатических зонах, будучи погруженными глубоко в воды океана, находясь в пустыне, в полярных широтах, в горах, когда температура изменяется примерно от — 60° С до +100° С, влажность практически от нуля до 100%, давление от 0 до 1000 Па. При этом на аппаратуру действуют механические нагрузки (удары, вибрации) с ускорениями в сотни g, мощные электромагнитные импульсы, могут действовать и другие внешние воздействия. При наличии разных внешних воздействий РЭС должны работать надежно длительное время.
4
Конструкция РЭС взаимосвязана с электрической схемой, в соответствии с которой осуществляется электрическое соединение между собой элементов с определенными электрическими и электромагнитными свойствами. Конструкция и схема совместно образуют РЭС и определяют важнейшие ее свойства и характеристики и факт реализации в производстве с заданными массой и габаритами, расчетной стоимостью и надежностью, удобством в размещении, использовании и ремонте.
В большинстве случаев РЭС входит в состав радиотехнических систем, например радиолокационных, радионавигационных или других радиоэлектронных информационных систем, которые создаются для удовлетворения быстро растущих потребностей общества в определенной информации, ее обработке и хранении.
Радиотехнические, электронно-вычислительные и электросвязные системы и входящие в их состав РЭС являются одними из наиболее сложных технических комплексов.
Конструкция РЭС сильно связана с технологией, так как аппаратура должна быть изготовлена. Возможности технологии, в том числе технологии микроэлектроники, вносят ряд ограничений, которые нужно учитывать при конструировании. Технология в значительной мере определяет стоимость аппаратуры и влияет на ее эксплуатационные качества. При конструировании РЭС необходимо учитывать, что с нею работают операторы. Даже если аппаратура действует автоматически, ее установку (развертывание), налаживание (пуск в действие) и ремонт осуществляют люди. Следовательно, требуется учитывать эргономические (психологические, антропометрические и др.) возможности человека, а также необходимость его обучения работе с аппаратурой. Значительные трудности связаны с необходимостью обеспечения патентной чистоты и конкурентоспособности на внешнем рынке.
Проектирование, изготовление и эксплуатация радиоэлектронных информационных систем, РЭС и их конструкций требуют больших материальных, энергетических и трудовых, в том числе интеллектуальных, затрат. На производстве всегда стремились и стремятся к их уменьшению, но РЭС из-за возрастающих информационных потребностей общества непрерывно усложняются, а их количественный выпуск увеличивается. Но общество может выделить на цели обеспечения информационных потребностей ограниченные ресурсы. Возникает противоречие между быстрорастущими информационными потребностями общества, с одной стороны, и ограниченными ресурсами — с другой.
Из изложенного следует, что как бы формируется сложная цепь взаимосвязи: информационные потребности общества, РТС и другие радиоэлектронные информационные системы, РЭС, конструкция РЭС и ее синтез, внешние воздействия, технология и производство, возможности человека оператора и, наконец,
5
материальные, трудовые и интеллектуальные (научные) ресурсы общества, которые, естественно, ограничены.
В этой связи следует обратить внимание на необходимость интенсивного развития конструкции и технологии РЭС. Основным средством обеспечения такого развития являются микроэлектроника и широкое привлечение вычислительной техники (ВТ) и на этой основе автоматизация проектирования, производства и эксплуатации РЭС.
Для того чтобы целесообразно конструировать или осуществлять синтез РЭС, правильно понимать задачи, сущность и перспективы деятельности конструктора-технолога, нужно учитывать и понимать весь комплекс факторов в совокупности или, как теперь говорят, подходить системно.
В связи со значительным усложнением РЭС, их конструкций и технологии, внедрением ВТ, следует сознательно формировать и укреплять системный подход. Поэтому в книге помимо изложения вопросов, относящихся непосредственно к конструированию и конструкциям РЭС, уделено внимание использованию ВТ, радиоэлектронике в целом и РЭС, в том числе — технологии, надежности, человеку-оператору и принципам системного подхода в той мере, как это нужно для инженера-конструктора-технолога.
Сложность самой конструкции современных РЭС и сложный комплекс взаимосвязанных факторов, влияющих на нее, привели к тому, что конструирование РЭС и дисциплина, в которой оно изучается, носят системный характер.
По учебному плану изучению конструкции РЭС предшествуют дисциплины, в которых рассматриваются вопросы конструирования отдельных частей конструкции РЭС, такие как «Материалы и технология деталей», «Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы», «Конструирование и технология микросхем», «Прикладная механика», «Техника СВЧ». Освоив эти дисциплины студент приобретает знания в области создания и конструирования механических деталей, электрорадиоэлементов и устройств функциональной электроники, интегральных микросхем и различных устройств. Все они являются частями конструкции РЭС, входят в их состав. Но конструкцию РЭС нельзя рассматривать как простую сумму частей. Все они находятся в сложном, а иногда противоречивом взаимодействии.
Поэтому конструируя РЭС, исходя из требований к ним, зная конструкции входящих в нее частей, пользуясь системным подходом необходимо решить комплексную задачу создания или синтеза конструкции РЭС: с учетом требований, которые к ней предъявляются; возможностей и ограничений, присущих ее составным частям; потребностей общества; возможностей технологии и производства; особенностей принципа действия систем и схем РЭС; обеспечения патентной чистоты; электромагнитной совместимости; высокого уровня технических и эксплуатационных парамет-6
ров и характеристик, в том числе надежности и, что особенно важно, рассматривая как важнейший показатель задачу экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов, с использованием последних достижений науки и техники, широкого внедрения вычислительной техники как основы автоматизации на всех этапах создания и применения РЭС.
Известно, что в соответствии с диалектикой формирование нового научного направления, каким является конструирование РЭС, проходит три стадии:
1. Разрозненные наблюдения, их осмысливание и накопление, использование в практике. При этом естественно проявляется стремление к систематизации и обоснованию, созданию книг, где фиксируется накопленное и осмысленное. На этом этапе книги носят в значительной мере описательный характер, включают набор «рецептов» и справочных сведений.
2. Формирование обобщений, выявление закономерностей, анализ и декомпозиция с выявлением основных составляющих нового направления, их взаимосвязей и особенностей. На этом этапе книги в основном могут быть построены на изложении методологии, основных зависимостей и закономерностей, а также на их обобщении, формировании принципов синтеза.
3. Создание методов научного синтеза на основе применения математики. В настоящее время конструирование РЭС как новое научно-техническое направление перешло из первой стадии, в которой оно находилось примерно до 1955 года, во вторую. Именно это позволяет построить книгу с некоторыми элементами новизны.
Из изложенного понятно, что в учебниках по конструированию РЭС прежде большое внимание уделялось сведениям справочного характера. В настоящее время существенно возросли объем и значимость достигнутых обобщений и выявленных закономерностей, которые должны составлять основу учебника. По этим причинам справочные сведения в книгу не включены.
Глава 1. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА, ИХ РОЛЬ И РАЗВИТИЕ
1.1. РАДИОТЕХНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОНИКА’ И ОБЩЕСТВО
К конструкции и конструированию РЭС следует подходить системно, имея в виду, что конструкция входит как подсистема (составная часть) в РЭС, а конструирование — в процесс их проектирования. В свою очередь РЭС следует рассматривать в совокупности с радиотехникой и радиоэлектроникой, поэтому напомним коротко основные понятия, относящиеся к радиотехнике и радиоэлектронике.
Радиотехника—это область науки и техники, изучающая электромагнитные волны радиодиапазона и их использование для передачи, извлечения и преобразования информации [1.5].
Кроме понятия «радиотехника» используется также термин и понятие «радиоэлектроника». Радиоэлектроника — более широкое понятие, оно включает в себя также электронику.
Электроника — это область науки и техники, изучающая электронные и ионные процессы в вакууме, твердых телах, жидкостях, газах, плазме и их поверхностных слоях и методы создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации.
Радиоэлектроника может не предусматривать излучение и прием на антенну высокочастотных электромагнитных волн. В качестве примера можно привести видеоплеер, высокочастотное медицинское оборудование и т. п.
Из определений следует, что радиотехника и радиоэлектроника связаны с информацией.
Информация есть совокупность сведений или сообщений о состоянии и изменении состояния объектов, о протекании процессов в природе, производстве, обществе и т. п. Термин «информация» может относиться к содержанию сообщений и предполагает также количественную характеристику сведений и сообщений (единица количества информации — бит).
Сообщения могут быть непрерывными, дискретными по времени, дискретными по времени и по значению, т. е. цифровыми. Информацию можно рассматривать как сообщения
8
о произошедшем случайном событии или о значении случайной величины или о конкретном реальном протекании случайного процесса. Информация играет большую и все возрастающую роль в жизни человеческого общества [1.5]. Понятие информации имеет также обобщающий, философский смысл и отражает одно из объективных свойств материального мира.
Носителем информации (сообщений) является сигнал, под которым обычно понимают физический процесс, в котором отображено сообщение. Простейшим сигналом является, например, непрерывный ток (напряжение), в значениях которого i(t) содержится непрерывное сообщение. Такие сигналы циркулируют в аппаратуре, их излучение или прием на антенну не предусматривается, поэтому их часто называют низкочастотными или видеочастотными, хотя частоты, содержащиеся в спектре таких сигналов могут быть очень высокими, например сигнал в видеомагнитофоне или сигналы в быстродействующих ЭВМ.
Радиосигнал — это колебание, в амплитуде, частоте или фазе которого отражено сообщение или содержится информация, его основу составляют высокочастотные колебания на частоте fs0, называемые «несущими».
Радиосигналы и видеосигналы могут быть импульсными. Тогда они имеют конечную длительность ТИ и следуют с интервалом Тп. В импульсном радиосигнале могут быть отображены дискретные во времени сообщения. При этом помимо амплитуды, частоты и фазы они могут содержаться в задержке сигнала ти и в его длительности ТИ. Радиосигналы и видеосигналы могут быть цифровыми. При этом они имеют конечную длительность Ts и следуют обычно непосредственно друг за другом. Полезное сообщение (символ) в цифровых радиосигналах и видеосигналах содержится не в их параметрах, а в факте наличия одного из отличающихся (различимых) цифровых элементарных радиосигналов или видеосигналов. Обычно сообщение отображается в последовательности элементарных цифровых сигналов или в их кодовой комбинации. Характер сигналов, циркулирующих в РЭС, имеет большое значение при конструировании, так как от этого зависят искажения сообщений и требования к конструкции, монтажу, точности изготовления и стабильности многих элементов конструкции. В последующем это будет объяснено и должно обязательно учитываться при практическом конструировании.
Радиосигналы действуют в аппаратуре обычно в виде токов и напряжений. В пространстве распространяются радиоволны — электромагнитные волны с несущей частотой fs0, поэтому в радиотехнике обязательно используются антенны.
Возможности радиоэлектроники. Широкое применение радиотехники и электроники обуславливается тем, что носители информации в радиотехнике — электромагнитные волны в космическом пространстве и в атмосфере, а в электронике—токи
9
по цепям распространяются со скоростью, близкой к скорости света, что позволяет передавать, извлекать, обрабатывать информацию с малыми задержками во времени.
Достигнутые возможности генерирования и излучения радиосигналов с большой мощностью и их прием при ничтожных уровнях мощности, а также небольшие (по сравнению с электромагнитными волнами других частот) потери при распространении позволяют обеспечивать решение задач передачи, извлечения и обработки информации в разных пространственных масштабах от небольших областей до глобальных масштабов в пределах планеты Земли, а также в пределах Солнечной системы. Может быть обеспечено решение задачи передачи, выделения и обработки информации в условиях, когда радиоэлектронные средства находятся на движущихся объектах или когда стоит задача выделения информации о пространственном положении и движении объектов.
Техническая реализация РЭС, их конструкции обеспечивают возможность высокоэффективного изготовления и эксплуатации. Причем при выполнении сложных преобразований сигналов могут быть достигнута малая масса и габариты средств, что облегчает их установку на самых различных объектах. Вместе с тем, они могут обладать высокой стабильностью при наличии внешних воздействий и надежностью. Для обеспечения сказанного особо важное значение имеют конструкции РЭС и микроэлектроника (интегральные схемы и функциональная электроника).
Радиотехника, радиоэлектроника н развитие общества. Развитие человеческого общества выдвигает все большие требования к быстрому обмену информацией, ее извлечению, обработке и накоплению как между отдельными членами общества и коллективами, так и для проектирования, исследований, управления хозяйственной (экономической), плановой, производственной деятельностью в масштабах предприятий, объединений, отраслей и государств в целом, а также для обеспечения быстрого и безопасного перемещения людей и продуктов промышленного и сельскохозяйственного производства.
В связи с этим потребности в обмене информацией и ее обработке в сфере науки, техники и производства растут значительно быстрее, чем объем этих работ.
Развитие общества, повышение благосостояния и культурного уровня привели к тому, что человечество стало значительно более «подвижным». Ежегодно десятки и сотни миллионов людей предпринимают дальние поездки, путешествуют и т. п., причем эта цифра неуклонно увеличивается. При этом потребность в обмене информацией между людьми резко возрастает. Широко известно возрастание требований к обмену информацией в области культуры, спорта, политических событий, что осуществляется радиовещанием и телевидением.
Следовательно, рост потребности в обмене информацией, ее обработке и извлечении происходит и будет происходить значительно быстрее, чем рост объема научных исследований, производства и численности населения. Очень быстро растут информационные потребности в области обороны.
Для удовлетворения потребностей в разнообразной информации, основываясь на принципах радиотехники и электроники, создают радиоэлектронные информационные системы, выдающие и обрабатывающие определенную информацию. Широко распространены системы радиосвязи (в том числе использующие ИСЗ) и электросвязи; радионавигационные системы, с использованием которых осущест-10
вляется определение координат кораблей, самолетов, ИСЗ и осуществляется управление их движением; радиолокационные системы для определения координат целей; системы радиоуправления, служащие для наведения ракет на цель; вычислительные системы и ЭВМ. Рассмотрим как наиболее типичные радиотехнические системы (РТС) [1.5].
Радиотехническаи система есть определяемая выдаваемой информацией и принципом действия совокупность: радиоэлектронных средств, работающих в условиях внешних воздействий; радиосигналов в пространстве, прием которых сопровождается действием помех, а также операторов, осуществляющих управление извлечением информации и исправным функционированием РЭС.
Операторы, обеспечивающие функционирование РТС и РЭС, выдачу полезной информации, а также осуществляющие эксплуатацию и техническое обслуживание РЭС, выступают как своеобразные «устройства» восприятия и обработки информации о функционировании РТС и РЭС. При этом принимаются решения и выполняются действия (включение, выключение, перестройка, поиск отказа, ремонт и т. д.). Следовательно, РЭС является человеко-машинной системой (СЧМ).
В связи с ростом информационных потребностей общества развитие исследований, проектирования, производства и эксплуатации в области радиоэлектронных информационных систем, а также РЭС должно происходить быстро. Но ограниченность материальных, трудовых и научных ресурсов общества, а также значительная доля затрат, связанных с обеспечением информационных потребностей (примерно 5... 10% в год), не позволяют решать эту задачу за счет экстенсивного развития и простого увеличения количества работников, занятых в этой области, и важнейшее значение приобретает интенсификация и повышение эффективности исследований, проектирования, производства и эксплуатации.
Именно эта проблема стала основной, но ее решение в основном определяется конструкциями и технологией РЭС. Поэтому с опережением должны развиваться те направления, которые связаны с совершенствованием синтеза конструкций, или конструирования, а также технологии, производства и эксплуатации аппаратуры, что обусловливает возрастающее значение конструкторов-технологов в развитии радиоэлектронных информационных систем, включая РТС.
1.2. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА И ИХ КОНСТРУКЦИЯ
Назначение РЭС. Важнейшей частью (подсистемой) радиоэлектронных информационных систем являются РЭС.
Радиоэлектронные средства — это изделия и их составные части, в основу которых положены принципы радиотехники и электроники. Радиотехнические системы, системы электросвязи и вычислительные системы, а также радиоэлектронные средства, входящие в их состав, могут иметь существенно отличающиеся принципы действия и схемы. В то же время их конструкции и технология изготовления имеют много общего. В последующем будем рассматривать вопросы конструкции и конструирование таких РЭС, которые входят в состав РТС, имея в виду, что они относятся и к РЭС, входящим в состав других информационных радиоэлектронных систем.
и
Термин РЭС введен ГОСТ 26632—85. До этого использовались термины — радиоэлектронная аппаратура (РЭА) и радиоаппаратура, которые и сейчас можно встретить в литературе [1.2, 1.3]. Понятия аппарат и аппаратура происходят от латинского слова «apparatus» — оборудование. Они широко применяются во многих областях техники, поэтому в общем смысле будем ими пользо- и ваться.
Радиоэлектронные средства предназначены для того, чтобы в соответствии с принципом действия системы, т. е. с особенностями ,, ее устройства, осуществлять необходимые преобразования сигналов t с заданным качеством (точностью). Свойства РЭС описываются тактико-техническими и электрическими параметрами и характеристиками (быстродействие, диапазон частот, дальность действия , и т. п.), а также совокупностью конструктивно-технологических, эксплуатационных и экономических параметров и характеристик. „ Тактико-технические, электрические, конструкторско-техноло- : гические и эксплуатационные параметры и характеристики РЭС находятся в сложном взаимодействии [1.2]. Очевидно, что РЭС должны рассматриваться как система и можно различно разделять . их на подсистемы.
Разделение РЭС на подсистемы исходя из иерархического принципа их построения (разукрупнение РЭС). Как изделие РЭС имеет очень важную особенность. Они формируются иерархически , на основе принципа разукрупнения, а именно РЭС более высокого , уровня сложности создаются путем соединения многих РЭС более . низкого уровня сложности [1.3, 1.4, 1.9, 1.10]. По функциональной . сложности различают: радиоэлектронные системы, их не следует смешивать с терминами: радиотехнические системы (РТС), вычислительные системы, системы электросвязи, в состав которых РЭС . входят как изделия; радиоэлектронные комплексы (РЭК); радио- . электронные устройства (РЭУ); радиоэлектронные функциональные узлы (РЭФУ).
Например, в РЭ систему может входить несколько РЭК и РЭУ или в РЭК несколько РЭУ и РЭФУ или в РЭУ—несколько РЭФУ.
В состав РЭ системы и РЭК могут входить механические, электротехнические, электромеханические и другие средства, без которых невозможна их эксплуатация.
В состав РЭУ могут входить функционально законченные , сборочные единицы — устройства, например: антенные устройства, передающие устройства, приемные устройства, устройства преоб- , разования и отображения информации и другие. Самостоятельно эксплуатируемыми изделями могут быть РЭ системы, РЭК и РЭУ, РЭФУ входят в РЭС и не имеют самостоятельного эксплуатационного применения.
Поскольку функциональная сложность влияет на конструкцию, то разукрупнение (иерархия) по функциональной сложности приводит к принципу разукрупнения (иерархии) по конструктивной
12
сложности. Уровни разукрупнения по конструктивной сложности в общем случае предусматривают: радиоэлектронный шкаф, радиоэлектронный блок и радиоэлектронную ячейку. При этом предполагается взаимовхождение низших уровней разукрупнения конструкции в высшие. При использовании модульного исполнения конструкции РЭС установлены следующие уровни разукрупнения: радиоэлектронный модуль третьего уровня РЭМЗ (радиоэлектронный шкаф, стойка, пульт), выполняемые на основе базовой несущей конструкции третьего уровня (БНКЗ); радиоэлектронный модуль второго уровня РЭМ2 — блок, выполненный на основе БНК2 и радиоэлектронный модуль первого уровня РЭМ 1 — ячейка, выполненная на основе БНК1.
Вводится также понятие РЭМО — радиоэлектронного модуля нулевого уровня, имеющего конструктивную основу, размерно координированную с РЭМ 1. Базовая несущая конструкция первого уровня (БНК1) предназначена для размещения РЭМО, электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изделий электронной техники (ИЭТ) и электротехнических изделий. Как видно, модульное исполнение конструкций имеет ту важную особенность, что в таких РЭС несущие конструкции, предназначенные для размещения технических средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации, являются базовыми, у которых габаритные размеры стандартизованы и обеспечивается такая их согласованность, которая позволяет добиваться взаимовхождения.
В виде радиоэлектронного шкафа, блока или ячейки (РЭМЗ, РЭМ2 и РЭМ1) может реализовываться РЭУ или РЭФУ, в зависимости от функциональной сложности. РЭ системы, РЭК обычно реализуются в виде совокупности нескольких радиоэлектронных шкафов и блоков (РЭМЗ и РЭМ2). Ниже в гл. 6 вопросы разукрупнения будут рассмотрены подробно, здесь ограничимся приведенными выше основными понятиями.
Разделяя РЭС на подсистемы, полезно ввести еще один уровень — элементная база [1.7]. Этот термин связан с понятием «элемент». Элемент аппаратуры, устройства, системы есть часть, выполняющая определенные функции и не подлежащая дальнейшему расчленению на части при данной степени подробности рассмотрения аппаратуры, устройства, системы. Элементами могут быть детали, узлы, простые системы.
К элементной базе можно отнести: электрорадиоэлементы, изделия электронной техники (интегральные микросхемы, устройства функциональной электроники и др.), электротехнические изделия (соединители, клеммы, кабели, провода и др.), механические, детали и узлы (амортизаторы, подшипники и др.). Конструктор РЭС обычно использует их как готовые изделия, не подвергая доработке. Его задача состоит в продуманном и правильном их применении, исходя из их свойств [1.7]. Иногда выделяют элементы схем и элементы конструкции. > (ч .:
13
Между элементной базой и РЭС при любой степени интеграции существует принципиальное различие. РЭС входят в систему «человек-машина» (СЧМ) и предназначены для применения и обслуживания при участии эксплуатационного персонала и пользователей («потребителей») информации [1.2]. Элементы, входящие в элементную базу РЭС, не предназначены для самостоятельного использования в эксплуатации [1.2, 1.6]. Это создает значительные различия в конструировании и конструкциях элементов РЭС независимо от их сложности. Например, простой карманный вещательный приемник функционально много проще, чем БИС, но он конструируется для работы в составе системы «человек-машина» и предназначен для самостоятельной работы пользователя в эксплуатации, в части условий хранения, развертывания и включения, ремонта, смены питания, настройки на радиостанцию, выбора режима, прослушивания принятых радиосигналов на телефоне и др. Очевидно, БИС, имея значительно более сложное устройство, конструируется из других соображений и не является РЭС и не относится к СЧМ.
Электронные и электрические элементы, входящие в схему, вместе с тем являются элементами конструкции. При этом у полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов, интегральных схем и т. п. должны учитываться не только электрические параметры (которые связаны со схемой), но конструктивнотехнологические и экономические. Помимо элементов, отображаемых в электрической схеме, конструкция РЭС включает значительное количество элементов, выполняющих самые разнообразные функции. В качестве разновидностей можно указать на элементы, которые выполняют: механические функции—крепление, увеличение прочности, демпфирование вибрации и т. д.; функции реализации электрических соединений (провода, жгуты, соединители, «заземления», печатные проводники и т. п.); функции экранирования от магнитных, электрических и электромагнитных полей; функции герметизации (защиты от действия влаги); функции, теплоотвода и др. [1.2, 1.3, 1.4].
Подсистемы РЭС, выделяемые по выполняемым функциям. Если разделять РЭС на подсистемы исходя из формирования ими параметров и характеристик, то можно выделить следующие подсистемы:
а) Принцип действия (функционирования) аппаратуры, т. е. операции над сигналами, выполняемые в аппаратуре и обеспечивающие использование их для передачи, извлечения, обработки информации. Принцип действия определяет требуемые электрические параметры РЭС.
б) Схемы. Схема электрическая принципиальная по определению есть условное изображение, отражающее электрическое соединение элементов, обладающих различными электрическими (электромагнитными) свойствами. Схема РЭС должна предусмат-14
ривать использование элементов с такими электрическими (электромагнитными) свойствами и такое их соединение между собой, . при которых обеспечиваются операции над сигналами и помехами, вытекающими из принципа действия аппаратуры и системы. Термину «схема» часто придается смысл не условного изображения, но воплощение схемы в виде совокупности элементов с разными электрическими свойствами и их электрическое соединение. При этом абстрагируются от конструкции или учитывают ее косвенно.
Подсистемы «принцип действия и схемы» формируют основу для получения требующихся значений электрических параметров и характеристик, но не могут, без учета других подсистем (конструкция, технология и т. д.) полностью их определять.
в) Конструкция. Наиболее краткое определение конструкции — «конструкция, есть материал целесообразно организованный в пространстве» или «целесообразно организованная материальная пространственная структура».
Под словом «целесообразно» применительно к конструкциям, используемым в технике, следует понимать:
во-первых, способность удовлетворять определенные потребности, выполнять требующиеся функции;
во-вторых, способность к сохранению этих свойств при наличии наблюдающихся внешних воздействий;
в-третьих, пригодность к воспроизведению и повторению, т. е. к производству.
Применительно к конструкции РЭС это определение может быть развито, а именно, под конструкцией РЭС будем понимать пространственно организованную совокупность элементов с разными электрическими (в том числе, на высоких частотах), электромеханическими и другими свойствами, между которыми (элементами) существуют электрические, механические, магнитные и другие связи, создаваемые в соответствии со схемой и принципами построения конструкции.
Эта совокупность должна удовлетворять требованиям:
реализации электрической схемы, предусматривающей осуществление заданных преобразований с сигналами, несущими сообщения;
обеспечения устойчивости параметров и характеристик к внешним воздействиям, в том числе внешним и внутренним электромагнитным воздействиям, в условиях которых работают РЭС;
высокоэффективного изготовления, т. е. повторения в условиях производства;
обеспечения надежного функционирования с малыми трудозатратами.
Конструкция создается на основе схемы, избранных принципов построения конструкции, элементов, несущих конструкций и электрических соединений.
15
Конструкция характеризуется параметрами, к ним можно отнести конструктивную сложность; массу и габариты; устойчивость к электромагнитным и другим воздействиям, температуре, влаге, мехвоздействиям и другим; ремонтопригодность, включая легкосъе-мность, контролепригодность, электромагнитную совместимость, эксплуатационную и ремонтную технологичность; надежность;] степень микроминиатюризации и интеграции; приспособленность к взаимодействию оператора с РЭС; приспособленность к объекту размещения (носителю); технологичность; стоимость; перспективность; конкурентоспособность; патентную чистоту и другие.
В последующем эти конструктивные параметры будут часто встречаться.
Из вышеперечисленных конструктивных параметров и показателей в дополнительных пояснениях нуждается показатель конструктивной сложности.
В тексте неоднократно указывалось, что происходит усложнение РЭС. В качестве показателя функциональной сложности РЭС обычно принимают количество транзисторов (дискретных или в составе ИС). Транзисторы, как основной активный электронный элемент, участвуют в преобразованиях сигналов и чем их больше, тем больше преобразований и тем сложнее их совокупность. Для цифровой аппаратуры в качестве показателя сложности используется также количество простейших логических элементов (И, ИЛИ, НЕ). Эти показатели влияют на сложность конструкции РЭС, но дают о ней неточное представление в части основных конструктивных показателей: масса, надежность, стоимость, ремонтопригодность и др. В качестве специфического показателя сложности конструкции используют суммарное количество выводов у электронных элементов (ИС, ЭРЭ и др.). Это обосновывается тем, что при таком показателе конструктивной сложности учитываются: влияние конструктивно-технологической интеграции, поскольку число выводов NB на ИС примерно равно NB®-JN-,p, где NTp — количество транзисторов в ИС;
сложность электрического монтажа, поскольку суммарное количество соединений (проводов, печатных проводников и т. п.) прямо определяется суммарным количеством выводов;
надежность, поскольку отказы в электрических соединениях (пайка, разъемные соединители и т. п.) имеют определяющее влияние на отказы РЭС;
масса и габариты РЭС, так как размеры корпуса ИС завися! от числа выводов. От числа выводов зависит также количество соединений, занимающих место на РЭМО. Совместно они влияют на размеры и массу РЭМО, а затем РЭМ1 и т. д.;
ремонтопригодность, поскольку общее число выводов на ИС и ЭРЭ на РЭМО влияет на количество выводов у разъемного соединителя Nc, установленного на РЭМО (РЭМ1): N^y/N^.
16
Количество Nc и N„ дают представление о количестве информации, обрабатываемой при поиске отказов в РЭС.
В последующем этот показатель сложности конструкции РЭС будет использоваться.
Конструкция определяет многие важнейшие показатели (характеристики) РЭС [1.2]. Этим определяется возрастающая важность роли конструктора и технолога в деле развития радиоэлектроники и РЭС.
Из изложенного следует ошибочность часто встречающегося подхода к взаимодействию подсистем РЭС, когда подразумевается, что все основные свойства РТС и РЭС определяются принципом действия систем и схемой (взаимодействие сигналов и помех). Это характеризует отсутствие системного подхода. Подчеркивание определяющей важности принципов действия схем объясняется тем, что на раннем этапе развития радиоэлектроники преобладающее значение имели поиски и исследования принципов выделения информации из сигналов при наличии помех и создание схем, реализующих эти принципы. На том этапе масштабы производства и технической эксплуатации были ограниченными. В настоящее время создан огромный задел принципов действия систем и схем. В то же время масштабы производства и технической эксплуатации неизмеримо выросли и лимитируются ограниченными ресурсами общества. Поэтому в настоящее время все более и более определяющее значение при создании аппаратуры имеют экономические, конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры и характеристики [1.2].
г) Технология. По строгому определению — это совокупность знаний («логия») о способах и процессах обработки или переработки материалов. Однако обычно под термином «технология» понимают саму совокупность способов, процессов обработки и оборудование, используемых при изготовлении элементов конструкции и сборке аппаратуры (механическое и электрическое соединение), обеспечивающих получение заданной конструкции (или заданной пространственной структуры) с высокой производительностью, малыми затратами и при минимальном вредном воздействии на окружающую среду и на рабочего. Технология формируется на этапе проектирования и реализуется на этапе производства.
Подсистемы «конструкция» и «технология» формируют конструктивно-технологические и экономические характеристики РЭС, кроме того, оказывают значительное влияние на электрические параметры и характеристики. Следует подчеркнуть особо тесную взаимосвязь конструкции и технологии. Можно представить себе одну и ту же схему, принципиальную электрическую, на основе которой создаются совершенно разные конструкции и, наоборот, на основе определенного вида конструкции могут быть реализованы разные схемы. ,t
17
Другое положение имеет место в конструировании и технологии. Конкретная конструкция, как правило, реализуется на основе использования определенной технологии. В свою очередь конкретная совокупность технологических процессов и оборудования обуславливает необходимость ориентации на определенный вид конструкций. Поэтому часто при формировании обобщений используют конструктивно-технологическую подсистему РЭС.
д) Эксплуатационные свойства — приспособленность к размещению на объекте и взаимодействию с оператором, надежность, совокупность процессов и закономерностей изменения свойств аппаратуры во времени и при наличии внешних воздействий, а также предусмотренные при создании конструкции способы и методы ввода аппаратуры в действие и управление ею, поиска и устранения неисправностей, наблюдения за состоянием.
Рассмотренное выше разделение РЭС на подсистемы относится ко всем уровням РЭС, а также, частично, к элементной базе.
Подсистемы РЭС, выделяемые по конструктивно-технологическим особенностям. Если разделять РЭС на подсистемы исходя из особенностей конструкции и технологии и с учетом физических процессов, то можно выделить следующие подсистемы [1.2]:
а) Элементная база'. ИЭТ и ЭРЭ и другие, что было рассмотрено выше. Они основаны на принципах электроники (микроэлектроники) и выполняют преобразования сигналов, их усиление с использованием активных электронных элементов-транзисторов, а также их запись или накопление в элементах памяти.
б) Электрические разъемные соединения; переключатели, коммутаторы и др. Множество электронных элементов в РЭС нуждается в том, чтобы электрически расчленять и сочленять соединения, коммутировать и переключать сигналы. Для этого служат разнообразные электрические элементы, включаемые в соответствии с электрической схемой. Они основываются на принципах разъемного электрического контакта.
в) Электрические проводники или постоянные, неразъемные и неразборные электрические соединения, соединяющие по определенной схеме выводы электронных и электрических элементов. Их объединяют понятием электрический монтаж. Основное назначение электрических разъемных и постоянных соединений — обеспечить протекание электрических токов (сигналов) между электронными и электрическими элементами, с обеспечением отсутствия взаимовлияния. При этом задача преобразования сигналов обычно не ставится, но могут происходить их искажения, в том числе из-за взаимовлияния между проводниками, которые следует учитывать конструктору. Сложные системы постоянных, разъемных и коммутируемых электрических соединений, по которым протекают как микротоки, так и сильные токи,— одно из важнейших и специфических особенностей конструкции и технологии изготовления РЭС.
18
г) Средства защиты от перегрева внешних механических, электромагнитных и других воздействий.
д) Несущие конструкции. Служат для механического объединения электронных, электрических и других элементов, размещения электрических соединений. Они обеспечивают прочность всей конструкции, ее комплектование из БНК1, БНК2 и БНКЗ. Несущие конструкции часто выполняют также функции герметизации, обеспечения электромагнитной совместимости и экранирования, теплоотвода, художественного оформления. Изготовление ведется с использованием технологических процессов машиностроения.
е) Механические элементы. Обычно не являются специфическими для РЭС [1.2—1.4, 1.9, 1.10].
Жизненный цикл РЭС. Как это вытекает из сущности системного подхода, системы и РЭС следует рассматривать в развитии, в процессе которого изменялись и расширялись роль и функции, выполняемые ими в обществе, основные проблемы и задачи, решение которых определяют дальнейшее развитие, особенности технической реализации. Кроме того, каждое конкретное РЭС в соответствии с системным подходом также должно рассматриваться в развитии.
В последующем будут подробно изложены этапы и содержание работ по всем этапам создания РЭС. Здесь рассмотрим укрупненный «жизненный» цикл:
а) Исследования. На этом этапе проводятся исследования, выявляется и прогнозируется потребность общества в передаче, извлечении, обработке определенной информации, оцениваются возможные принципы действия систем и РЭС, определяются возможности достижения требуемых параметров, технической реализации, конструкции, технологии, патентной чистоты и конкурентоспособности, производства и эксплуатации, формируется задание на проектирование.
б) Проектирование. Под термином «проектирование», в том числе конструкторское проектирование или конструирование (синтез конструкций), будем понимать совокупность осуществляемых в определенной последовательности работ, в том числе на макетах, образцах и на ЭВМ, принятие решений и создание документации. Более строго, в соответствии с ГОСТом, проектирование суть составление описания для создания еще не существующего объекта, на основе первичного описания или задания на проектирование, т. е. сведений о назначении, параметрах, функционировании и т. п., представляемых с использованием «входного языка».
Под термином «создание объекта» понимают его изготовление и придание заданных свойств и характеристик, включая взаимодействие с окружающей средой (для предметов), или размещение в пространстве и во времени и придание заданных свойств и характеристик, включая функционирование с заданным алгоритмом (для систем). Проектирование может быть неавтоматизированное, когда все преобразования (действия), принятие проектных решений и представление результатов проектирования в той или иной форме, т. е. на различных «выходных языках» осуществляет человек. При автоматизированном проектировании оно ведется при взаимодействии человека и ЭВМ. При автоматическом проектировании— на ЭВМ без участия человека.
19
В процессе проектирования (синтеза) принимаются решения, совокупность которых определяет результат проектирования, который выдается с использовани- , ем «выходного языка», в форме, удовлетворяющей требованиям дальнейшего создания объекта. Практически «выходной язык» регламентируется ЕСКД и ЕСТД. Комплект технической документации — основной результат проектирования. Из изложенного следует, что конструирование есть синтез конструкций РЭС.
в) Производство — совокупность процессов, посредством которых общество, используя вещества и закономерности природы, опираясь на технологию, создает необходимые продукты или изделия — в данном случае радиоэлектронные средства. ;
г) Эксплуатация — применение по назначению, подготовка к применению, техническое обслуживание и ремонт, хранение и транспортировка. При этом выявляются и используются закономерности процессов изменения состояния и параметров (характеристик) РЭС в процессе длительного функционирования и совокупность целенаправленных действий по обеспечению заданного состояния и значений параметров.
д) Модернизация и отмирание включают в себя действия по модернизации . системы и ее аппаратуры с целью увеличения продолжительности жизненного • цикла и по использованию ее устройств после решения о прекращении действия систем или РЭС определенного вида.
Очевидно, что все этапы, входящие в систему жизненного цикла, находятся между собой в сложном взаимодействии. Нельзя ни один из этих этапов изолировать от других, в частности, ошибочно рассматривая системы и РЭС, пренебрегать проблемами производства, технической эксплуатации, конструирова- ' ния и технологии.
1.3. КОНСТРУКТОР-ТЕХНОЛОГ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Конструктор-технолог РЭС. Под конструкторами РЭС или радиоконструкторами будем подразумевать инженерно-технических работников, которые заняты теоретическими работами и исследованиями в области конструкций; проектированием или синтезом конструкций и их испытаниями; составлением конструкторской документации и решением вопросов по конструкциям, возникающих в процессе производства и эксплуатации. Термин «конструкция РЭС» был пояснен ранее. Термин «конструирование» применяют как в смысле процесса создания (синтеза) конструкции, так и в смысле области науки и техники, связанной с разработкой конструкций.
Под технологами радиоаппаратуры, или радиотехнологами, будем подразумевать инженерно-технических работников, которые выполняют работы по теории и исследованиям в области технологии РЭС, технологическому контролю конструкторской документации РЭС, синтезу и разработке специфических для РЭС технологических процессов, приспособлений и оборудования, созданию технологической документации, решению вопросов по 20
технологии, возникающих в процессе производства и испытаний. Термин «технология РЭС» был пояснен ранее. Технология РЭС имеет существенное отличие от других технологий. Особенно широко в технологии РЭС используют технологические процессы и оборудование микроэлектроники.
В связи с тем, что конструкция и технология имеют значительную взаимосвязь, в последующем будем использовать термин «конструктор-технолог» РЭС, понимая под ним инженерно-технических работников, выполняющих работы и по конструкции и по технологии РЭС. При этом следует иметь в виду, что по теоретическим знаниям, навыкам и практически решаемым задачам между ними имеется отличие, и в промышленности имеются специализированные подразделения [1.2].
В основе деятельности конструкторов-технологов РЭС лежат исследования и умение применять знания в таких вопросах, как: электрические, магнитные, электромагнитные процессы и взаимодействия, протекающие в пространстве, в материалах, пленках, проводниках и элементах конструкций (а не в цепях, как это имеет место у специалистов по схемам), с учетом размеров, взаимодействия и взаимовлияния с тепловыми и механическими процессами, влажностными, внешними электромагнитными и другими воздействиями, процессами взаимодействия материалов, поверхностных слоев, пленок и элементов конструкции с окружающей средой (влага, атмосфера, радиация и т. п.); методов формообразования и создания структур с разными электрическими свойствами, т. е. процессов, протекающих в материалах и пленках при изготовлении и соединении электрических и конструктивных элементов, обеспечения согласования отклонений в размерах и электрических свойствах.
Определяющее значение в деятельности конструктора-технолога имеет исследование, знания и формирование новаторских идей в области повышения эффективности проектирования и производства, применения ЭВМ, понимание потребностей общества, состояния и перспектив науки. Деятельность конструктора-технолога основывается также на изучении и понимании закономерностей и процессов, происходящих в материалах и элементах конструкции в период длительного функционирования аппаратуры, приводящих к изменению параметров элементов конструкции и схем, которые могут ухудшать работу РЭС или приводящих к отказу; процессов взаимодействия оператора с РЭС при применении по назначению, обслуживании, контроле и ремонте. С учетом всех этих и многих других факторов конструктор осуществляет решение основной задачи—синтеза конструкции РЭС и их элементов.
Взаимодействие коиструкторов-техиологов РЭС с другими специалистами. Конструкторы-технологи РЭС должны работать совместно со многими специалистами, в первую очередь со специалистами по принципу действия и схемам,
21
которые занимаются исследованиями, разработкой и решением вопросов, возникших в процессе испытаний, производства и эксплуатации в части схем и принципов действия систем. Для обеспечения взаимодействия* с этими специалистами конструкторам-технологам РЭС необходимо иметь основные представления о РТС или других радиоэлектронных информационных системах и основах радиоэлектроники. Последние знания необходимы конструкторам также и для выполнения работ, непосредственно входящих в их обязанности.
Теоретическая база конструирования Ь технологии РЭС и математические методы, обусловленные изложенным выше, существенно отливаются от тех, которые используются специалистами в области схем и систем. Существенно отличие и в задачах практической деятельности, комплексе вопросов, решаемых в процессе работы, а также в содержании опыта и навыков.
Иногда высказывают возражения против разделения специалистов в области РЭС на схемотехников и конструкторов-технологов. Это возражение не учитывает реальную специализацию и разделение труда, а также особенности РЭС. Особенность состоит в том, что процессы, протекающие в цепях (схемах) имеют самостоятельный физический смысл. В силу сложности используемых сигналов и действующих помех, определенных закономерностей их протекания и взаимодействия в цепях (схемах), содержащих элементы с различными свойствами, а также сложности проблем выделения информации из сигналов, при наличии помех потребовалось создание специальной теории (теории цепей, схем, сигналов и помехоустойчивости), использующей определенный математический аппарат, а также специфические методы расчета, анализа и синтеза цепей (схем) с заданными электрическими свойствами (характеристиками). Аналогичное положение имеет место в ЭВМ и электросвязи [1.2, 1.8].
Следовательно, в РЭС разработка принципа действия и схем является специфической задачей, не имеющей аналогий в других областях техники. Она должна предшествовать разработке реального устройства, рассчитанного на изготовление и эксплуатацию. Результатом деятельности специалиста в области схем является не конкретное устройство и конструкция, а схема и понимание совокупности процессов, протекающих в ней при прохождении сигналов и помех. Схема дает исходные данные для конструирования, но не является конструкцией.
Существенна связь конструктора-технолога РЭС со специалистами по электронной технике, которые занимаются исследованиями, разработкой и производством в области элементной базы РЭС, в том числе элементов широкого применения, используемых в РЭС—ИС, транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. п. Для взаимодействия с этими специалистами, а также для правильного выбора и применения элементов в РЭС и разработки специфических элементов, конструктор должен иметь подготовку в области электрорадиоэлементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
В настоящее время наблюдаются значительные изменения во взаимодействии конструкторов-технологов РЭС со специалистами в области электроники, обусловленные развитием конструктивно-технологической (БИС, СБИС) и физической интеграции (УФЭ). Известно, что чем выше степень интеграции, тем лучше конструктивно-технологические, экономические и эксплуатационные характеристики, меньше стоимость и масса, выше надежность (в расчете на один логический 22 '
элемент), но тем уже область применения конкретного типа ИС или УФЭ, большее количество их типов нужно выпускать и меньше объем выпуска каждого типа.
Чем выше степень интеграции, тем (во многих случаях) менее целесообразно выпускать ИС на специализированных предприятиях. Заводам по выпуску РЭС необходимо самим создавать БИС, СБИС, УФЭ, привлекая для этих работ конструктора-технолога РЭС.
Конструкторы-технологи РЭС в быстро возрастающих масштабах должны работать совместно со специалистами в области вычислительной техники (ВТ). В связи с важностью рационального взаимодействия этот вопрос вынесен в гл. 4. Конструкторы-технологи РЭС должны работать совместно с механиками и специалистами по общим технологическим процессам (формообразование, покрытия и т. п.).
Для взаимодействия с этими специалистами конструктор-технолог РЭС должен иметь подготовку в области механики и общей технологии.
Конструкторы-технологи должны совместно работать со специалистами в области эксплуатации РЭС, которые часто выступают как заказчики. При их участии решаются конструкторские вопросы, связанные с надежностью, стабильностью, упаковкой, транспортированием, развертыванием, ремонтопригодностью и т. п.
Обеспечение комплексности (системности) проектирования. Процесс специализации инженеров, в частности формирование и выделение таких специалистов, как конструкторы-технологи, не должен приводить к разобщенности и к односторонним решениям, так как это не соответствует системному подходу [1.2].
Указанное диалектическое противоречие устраняется тем, что работы ведутся совместно, коллективно, в условиях взаимодействия и взаимного обогащения разных специалистов.
В процессе разработки и производства для системного (комплексного) решения противоречий и вопросов необходимо наличие руководителей, могущих в совокупности понимать и рассматривать вопросы, относящиеся к принципу действия системы, схемам, конструкции, технологии, элементной базе и применению ВТ, испытаниям и эксплуатации. Такие руководители формируются в результате многолетней активной деятельности из числа наиболее трудолюбивых и одаренных специалистов разных профилей.
Опыт исследований, проектирования, производства и эксплуатации позволил выработать определенную организационную структуру, которая обеспечивает комплексный подход. Для руководства работами по той или иной системе или РЭС назначается главный конструктор и его заместители по направлениям, в том числе по конструкциям и технологии, которые несут ответственность по всем проблемам и вопросам и по их комплексному решению на всех этапах. В некоторых случаях для крупномасштабных «больших» систем назначается генеральный конструктор.
1.4. РАЗВИТИЕ РЭС И ПОДГОТОВКА КОНСТРУКТОРОВ
Развитие РЭС. В результате развития РЭС и систем происходит непрерывное их усложнение (функциональное) примерно в два раза за 5 лет. Усложнение радиоаппаратуры наглядно
23
показано в табл. 1.1 на примере радиооборудования пассажирского лайнера и на примере бытовой радиоэлектронной аппаратуры, которая может находиться в использовании одной семьи для развитой страны [1.5].
В этих условиях возникло и действует противоречие между быстро увеличивающейся сложностью РЭС, их схем и конструкций, с одной стороны, и ужесточающимися требованиями к массе, стоимости, надежности и удобству применения по назначению, обслуживанию (ремонту)—с другой.
Следовательно, должно происходить дальнейшее развитие конструкций и технологии РЭС, поиски и внедрение новых принципов синтеза и построения конструкции, технических решений, материалов, а также совершенствование характера и организации деятельности инженеров по проектированию, производству и эксплуатации РЭС.
Решающую роль в развитии РЭС играло и играет совершенствование элементной базы [1.2]. Для наглядности это показано в табл. 1.2. В ней выделены четыре этапа или поколения РЭС, отличающиеся элементной базой (электронные лампы, транзисторы, ИС, БИС и СБИС совместно с УФЭ и микропроцессорами). Совершенствование элементной базы привело к изменениям в тепловыделении, габаритах, массе, механической устойчивости и методах крепления активных элементов, относительном количестве соединительных проводников, уровне токов и напряжений, что стимулировало развитие принципов конструирования и технологии, как это пояснено в таблице. Для наглядности в той же таблице приведено развитие РТС [1.8, 1.11, 1.12].
Таблица 1.1. Примеры усложнении РЭС с 1930 по 1990 г.
РЭС 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Перечень устройств, находящихся в пользовании одной семьи (в развитых странах) Ориентировочное количество активных элементов на семью Сложность радиооборудования пассажирского воздушного лайнера Радиоприемники 5 ламп 20—40 ламп Радиоприемник и телевизор (чернобелый) 50 ламп 103 транзисторов Радиоприемники: комнатный, автомобильный и переносной, цветной телевизор, магнитофон 500 ламп и транзисторов 105 транзисторов (в составе ИС) То же и микрокалькулятор 104 транзисторов 10s транзисторов (в составе ИС) То же плюс персональная ЭВМ и видеомагнитофон 106 транзисторов в составе ИС Ю10 транзисторов (в составе ИС)
24
Таблица 1.2. Этапы развития РЭС и систем
Средства и системы Начальный Первый Второй Третий Четвертый
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
РЭС Электронные лампы. Дискретные ЭРЭ. Моноблоки в кожухах и футлярах. Части конструкции, создаваемые путем ручной сборки деталей, раздельно изготовленных из разных материалов. Технология электромеханических средств Транзисторы, миниатюрные ЭРЭ. Типовые модули (конструктивы). Однослойный печатный монтаж. Технология электромеханических средств с элементами технологии, специально создаваемая для РЭС Интегральные схемы средней степени интеграции, дискретные микроэлементы. Многослойный печатный монтаж. Замена механизмов на электронные устройства. Нормализованные модули. Преобладание технологии микроэлектроники Цифровая аппаратура, БИС, СБИС. Микропроцессоры. Устройства функциональной электроники. Микросборки
Радиотехнические системы Простейшие системы радиосвязи Рат (ИОСВЯЗЬ Радиовещание | Телевидение Радионавигация | Радиолокация | Радиоуправление Спутниковые системы радиосвязи Видеомагнитофоны РТС, используемые космическими станциями и ИСЗ
Формирование конструкции и технологии РЭС как самостоятельного направления в системе конструкций и технологий и как важнейшей области радиоэлектроники. Для того чтобы понять формирование конструкции и технологии РЭС как самостоятельного направления со своими принципами, необходимо подойти системно, т. е. рассматривая их в развитии и во взаимодействии. Следует рассмотреть РЭС во взаимодействии с наукой, в первую очередь с физикой и математикой.
На первых этапах конструкции и технологии, так же как и радиотехника, включая принципы действия РТС и схемы, основывались на классической физике (теория электрического, магнитного и электромагнитного полей, теоретическая и прикладная электротехника, механика и т. п.). Будем эту область физики для краткости называть «макрофизикой». Развитие макрофизики началось давно и продолжается. С начала ХХ-го века началось развитие «новой» физики элементарных частиц, твердого тела, пленок и т. п. Будем называть эту физику «микрофизикой». Микрофизика развивалась очень быстро и намного опередила по темпам «макрофизику».
25
Рис. 1.1. Развитие физики и конструирования:
1—развитие «макрофизики»: 2 — развитие принципов действия РТС и схем; 3 — развитие «микрофизики»; 4 — разви(ие конструкций и технологии РЭС
Рис. 1.2. Доля специфических конструкций и технологий
Конструирование и технология РЭС, как информационных технических средств, получили возможность основываться на микрофизике, в результате чего сформировалось такое направление, как микроэлектроника. Началось бурное развитие конструирования и технологии.
Наглядно это изображено на рис. 1.1 [1.8].
Поскольку развитие микрофизики все ускоряется, следует ожидать, что развитие конструкций и технологии РЭС будет проходить ускоряющимися темпами.
Для принципов действия и схем положение не изменилось, они как прежде, так и теперь и в будущем будут основываться на макрофизике.
Очевидно, что микроэлектроника — это естественная основа построения информационных технических средств, так как процессы в твердом теле и пленках при малых уровнях энергии можно с успехом использовать для обработки и преобразования сигналов, несущих информацию. Кстати заметим, что в природе во всех случаях, когда требуется восприятие, передача, обработка и накопление информации с высокой точностью, используются дискретные процессы с малыми энергетическими затратами на молекулярном уровне (глаз, мозг, наследственность). Микроэлектроника смогла в информационных средствах сделать такой шаг, который давно «поняла» природа и давно сделала.
Необходимо подчеркнуть, что для перехода на новые принципы построения конструкции и технологии РЭС имеются объективные основания. Состоят они в том, что РЭС является техническим устройством, которое предназначено для информационных целей. Токи и напряжения, действующие в конструкции ‘ РЭС, обладают какой-то энергией, но основное состоит в том, что они несут информацию, а не энергию, как в электротехнике, где они предназначены для преобразования в тепловую энергию и механическое движение (и наоборот). Поэтому ориентировка на 26
конструкции и технологию электромеханики не имела объективного обоснования и определялась тем, что еще не был достигнут необходимый уровень развития науки и использовалось то, что имелось в наличии.
Из изложенного следует, что должно было произойти формирование особенного, специфического направления конструкций и технологий, со своими принципами, теорией и техническими решениями. Можно считать, что это формирование, интенсивно начавшееся примерно в 1945 г., привело в 1950—1960 гг. к тому, что конструирование и технология РЭС сформировались как новое самостоятельное направление в системе конструкций и технологий технических средств и как важнейшая область радиоэлектроники [1.8, 1.11]. Облик конструкции РЭС стал другим и коренным образом изменилось производство.
На современном этапе конструкции РЭС — это конструкции, использующие возможности, которые дала микроэлектроника — высокие степени конструктивно-технологической интеграции (БИС, СБИС), устройства функциональной электроники, групповые технологические процессы, основанные на «тонких» физических явлениях (осаждение пленок, воздействие на твердое тело и т. п.).
На рис. 1.2 показано изменение соотношения в производстве РЭС между технологическими процессами, характерными для электромеханики — кривая 2 и относящимися к специфическим технологии и конструкции — кривая 1.
В результате за короткое время были достигнуты значительные результаты по совершенствованию конструкций, улучшению их показателей. Для иллюстрации на рис. 1.3 приведено изменение числа раздельно изготавливаемых и затем механически собираемых деталей на один элемент по электрической принципиальной схеме.
Результаты развития привели к резкому снижению трудоемкости изготовления и стоимости С! радиоаппаратуры (не содержащей СВЧ устройства и мощные каскады) в расчете на один активный элемент (электронная лампа, транзистор) относительно 1930 г. Сказанное иллюстрирует рис. 1.4.
Рис. 1.3. Число раздельно изготовленных деталей на один активный элемент
Рис. 1.4. Изменение стоимости РЭС в расчете на один транзистор (электронную лампу)
27
Как видно, достижения в конструировании РЭС, основанные на микрофизике и микроэлектронике, поразительны. Но противоречия, о которых было сказано, продолжают действовать и предстоит большая работа в достижении новых, еще более значительных успехов в конструировании и технологии при их ориентировке на передовую науку.
Развитие промышленности. Развитие РЭС неразрывно связано с развитием промышленности. Первоначально производство РЭС было малосерийным и являлось частью продукции электромеханических заводов. Начало создания радиопромышленности с крупносерийным выпуском можно отнести к 1926 г., когда на первом Государственном электромеханическом заводе (ныне Московский радиозавод), созданном по решению ВСНХ в 1918 г. для изготовления телефонных аппаратов был начат серийный выпуск детекторных радиоприемников, а в 1933 г.— ламповых [1.12]. По инициативе С. Орджоникидзе и под руководством директоров завода А. А. Нуде и М. В. Ясвойна в 1935 г. впервые была осуществлена конвейерная сборка (радиоприемник СИ 235), значительно повысившая производительность труда. Расчет и описание конвейерной сборки были опубликованы в научно-техническом бюллетене, который выпускался на заводе [1.13]. На этом заводе был осуществлен серийный выпуск (4500 шт.) первой радиостанции для сельского хозяйства («Малая политотдельская» — 1934 г.) [1.5]. В этот же период были созданы радиозаводы в г. Ленинграде, затем в г. Воронеже и других городах.
Наличие развитой радиопромышленности имело очень большое значение для оснащения войск в период Великой Отечественной войны. Трудные условия в радиопромышленности сложились в 1941 и 1942. гг., когда основные радиозаводы были эвакуированы в глубь страны. Для укомплектования войск средствами радиосвязи благодаря изобретательности конструкторов во главе с Е. Н. Геништа и В. Б. Пестряковым за очень короткое время была создана на деталях радиовещательного приемника 6Н1 радиостанция низовой связи Р13 и осуществлен (с разборкой этих приемников) ее выпуск в больших количествах малым числом рабочих и ИТР [1.16]. В последующем восстановленные радиозаводы обеспечили выпуск РЭС различного назначения и в достаточном количестве для армии, авиации и флота.
Значительное развитие радиопромышленность получила после Отечественной войны. Важную роль в этом сыграл В. Д. Калмыков, многие годы являвшийся Министром радиопромышленности.
В настоящее время РЭС стали очень разнообразными, они широко используются для радиосвязи, радионавигации, радиолокации, в электросвязи и вычислительных системах, при космических исследованиях, в медицине и т. п.
Подготовка кадров в области конструкций и технологии РЭС, выпуск литературы. Известно, что подготовка радиоинженеров была начата А. С. Поповым еще с 1883 г., в минных офицерских классах, а затем в Электротехническом институте (ныне ЛЭТИ), где он в 1901 г. был избран ректором. Подготовка в ЛЭТИ осуществлялась в области принципов действия радиотехнических устройств и их схем, но вместе с тем предполагалось изучение дисциплин по механике и технологии.
28 г '
Значительное расширение подготовки специалистов в области радиотехники началось в 20-е годы, когда по указанию В. И. Ленина были развернуты крупномасштабные работы по развитию отечественной радиотехники, в частности была создана в 1918 г. Нижегородская радиолаборатория, а в 1921 г. создано первое специализированное в области радиотехники и электросвязи высшее учебное заведение — Московский электротехнический институт инженеров связи (ректор А. С. Бутягин) — ныне МИС.
В 1932 г. было создано еще одно специализированное в области радиотехники и связи высшее учебное заведение, Инженерно-техническая академия связи (комиссар К. И. Озолин), и были открыты соответствующие факультеты в ряде вузов страны. Радиоинженеры того времени получали основательную подготовку также в области механики и технологии (например, были курсы «Теоретическая механика», «Сопромат», «Технология материалов», «Точные механизмы», «Электроматериалы»), кроме того, кадры конструкторов в значительной мере формировались из инженеров по машиностроению и электротехнике.
Постепенно содержание подготовки радиоинженеров совершенствовалось, стали изучаться не только общие вопросы радиотехники, но и такие дисциплины, как радиоприемные и радиопередающие устройства, радионавигационные и радиолокационные системы, радиоуправление и т. п.
В связи с тем, что быстро развивалось конструирование и технология, повышалась их значимость, в вузах начинается изучение специальных дисциплин по технологии (Ф. Е. Евтеев в ЛЭТИ с 1945 г., М. Ф. Семичастнов в МАИ с 1951 г.), а вскоре и по конструированию РЭС (В. Б. Пестряков в МЭИ с 1953 г.). Создаются первые кафедры по технологии РЭА (ЛЭТИ 1945 г., МАИ 1951 г.). Развитие радиотехники после 1945 г. проходило столь быстро, что к 1955 г. назрела необходимость коренного изменения подготовки радиоинженеров. Расширение знаний в области радиосигналов, радиосхем, РТС и т. п. требовало уменьшения в учебных планах подготовки радиоинженеров доли дисциплин конструкторско-технологического цикла. Но тогда оказывалось необеспеченной подготовка специалистов по конструированию и технологии РЭС.
Поэтому на Втором межведомственном совещании по вопросам подготовки специалистов в области радиотехники (1955 г.), в котором приняли участие академики А. И. Берг и В. А. Котельников, было решено разделить радиотехническую специальность на две «Радиотехника» (0701, теперь 2301) и «Конструирование и технология производства радиоаппаратуры» (0705, теперь 2303). Однако объективные (неполное становление конструирования и технологии РЭС как самостоятельной области) и субъективные (недооценка многими работниками вузов важности конструкторско-технологической подготовки) не позволили
29
в тот период правильно сформировать учебный план специальности 0705, в нем было мало дисциплин по конструированию и технологии. С 1966 г. работа по созданию учебного плана велась в научно-методической комиссии Минвуза СССР, в последующем в научно-методическом совете Минвуза СССР (с 1966 по 1988 г. председатель проф. В. Б. Пестряков). В июне 1966 г. был сформирован и утвержден Минвузом СССР прогрессивный учебный план, предусматривающий достаточную подготовку по конструированию и технологии РЭС, а также по микроэлектронике.
В последующем (1974 г., 1983 г.) в связи с очень быстрым развитием конструирования и технологии учебный план подвергался совершенствованию с расширением подготовки в области микроэлектроники, введением изучения САПР, функциональной электроники и др. [1.11].
Успешный опыт подготовки специалистов 0705 и быстрое развитие конструирования и технологии РЭС, а также начавшийся выпуск ЭВМ привел к созданию в 1969 г. родственной специальности 0648 (теперь 2205) «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры», которая в 1974 г. была разделена на две специализации: 0648.01—«Конструирование и производство ЭВА» и 0648.02 — «Конструирование и производство технических средств САПР».
Появились специализации и у специальности 0705 — в 1974 г. две: 0705.01—«Технология радиоаппаратуры», 0705.02 — «Конструирование радиоаппаратуры», а в 1983 г.— третья (0705.03) «Микропроцессорное оборудование в технологии РЭС». На всех специализациях специальности 0705 предусмотрена, как одна из основных и системных, дисциплина по конструированию и конструкциям радиоаппаратуры, которая завершает подготовку конструктора-технолога.
Создание прогрессивных учебных планов имело большое значение. Они способствовали быстрому развитию кафедр, расширению подготовки инженеров-конструкторов-технологов радиоэлектронных средств во многих десятках вузов страны, повышению авторитета специальностей.
В 1988 г. в связи с перестройкой высшей школы руководство научно-методическими советами и комиссиями было передано из Государственного комитета СССР по народному образованию в учебно-методические объединения (УМО).
Рассматриваемые специальности вошли в состав УМО при ЛЭТИ, где и была сформирована научно-методическая комиссия (председатель проф. П. Г. Мироненко). С осени 1988 г. начал действовать скорректированный учебный план, в основу которого был положен учебный план 1983 г.
Совершенствование конструирования и производства РЭС и усовершенствование системы подготовки инженеров-конструк-торов-технологов потребовало значительного увеличения изданий литературы.
30
Первая книга по конструированию РЭС была выпущена в 1947 г,, а по технологии — в 1949 г. [1.14, 1.15].
В последующем в издательстве «Радио и связь» были выпущены сотни книг по конструированию и технологии производства РЭА.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Каковы основные особенности конструкции РЭС?
2. Дайте определение понятия РЭС.
3. Чем определяются необходимость ускоренного развития РЭС, их усложнение и повышение требований?
4. Поясните определение термина «Конструкция РЭС». 1
5. Как можно обосновать возрастающее значение конструирования в развитии РЭС?
6. Как можно разделять систему «Конструкция РЭС» на подсистемы и какие варианты разделения полезно использовать в разных условиях?
7. Назовите основные этапы развития РЭС и их особенности. 1
8. Обоснуйте формирование конструирования РЭС как самостоятельного на- . правления в системе конструкций и технологии и важнейшей области радиоэлектроники.
9. Чем определяются возрастающие возможности развития конструкций РЭС?
10. Каковы особенности и сферы деятельности конструктора-технолога РЭС и его взаимодействия с другими специалистами?
Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ И ФИЛОСОФСКИЕ АСПЕКТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭС
2.1. НАУКА И МЕТОДОЛОГИЯ
Наука и теория. Как отмечалось, конструирование РЭС претерпело значительное развитие, постепенно сформировалось (совместно с технологией) в важнейшую область радиоэлектроники и в самостоятельное направление в системе конструкций и технологии технических средств вообще. При этом, основываясь на достижениях физики, химии и материаловедения, изменялись и развивались идеи, принципы построения конструкций, технические решения и т. п.
Постепенно накапливались достоверные знания о конструкциях РЭС и технологии их изготовления, производились обобщения и раскрытие их сущности. Следовательно, формировалась наука о конструкции. Этот процесс происходил в условиях развития многих областей науки и техники, в общем процессе познания природы и техники. Он являлся частью общего движения познания, внося в него свою лепту. Этот общий процесс связан с формированием мировоззрения — системы взглядов на мир, на
31
природу и общество, общее понимание окружающей действительности, обобщение представлений о мире в целом.
В науке большое значение имеют понятия, определения и термины. Понятие есть форма отражения материального мира в сознании человека, высшая форма обобщения. Раскрытие сущности понятия происходит в определениях. Слово (несколько слов), обозначающее определенное научно-техническое понятие, есть термин. Выше были даны основные понятия, определения и термины, относящиеся к конструированию РЭС. К ним относятся: информация, радиотехника, электроника, система, РЭС, схема, конструирование (синтез конструкций) и конструктор РЭС, технология, элементы конструкции и схемы (элементная база) и другие.
Раскроем теперь сущность понятий и определений, относящихся к науке и методологии. Как известно, наука есть система достоверных знаний об объективных законах, относящихся к соответствующей области человеческой деятельности^ Она обобщает опыт, раскрывает существенное и закономерное.
Наука опирается на теорию и эксперимент. Теория формирует систему основных идей и закономерностей (законов). Она дает научное объяснение объективных закономерностей той или иной области знаний.
Опыт (эксперимент), с одной стороны, позволяет получить исходные данные для обобщения и создания теории, с другой — может рассматриваться как критерий истинности знаний, теорий, закономерностей.
Теория в технике и физике часто основывается на использовании математики, которая согласно Ф. Энгельсу, изучает «Пространственные формы и количественные отношения действительного мира». Математизация теории и образования имеет большое значение, позволяет количественно и наглядно выразить закономерности (законы) на едином международном языке, дать основы количественного анализа и расчетов, а также, в некоторых случаях, синтеза и оптимизации технических средств. Но наука и теория могут основываться не только на использовании математики, но также и на других методах формулирования обобщений и закономерностей.
Важной особенностью теории конструирования РЭС является то, что на настоящем этапе оказалось полезным и возможным основывать ее на математических методах применительно только к низшим иерархическим уровням (элементы, включая ИС, и модули первого уровня) или к отдельным проблемам, относящимся к РЭС в целом (надежность, тепломассообмен, механические воздействия, теория электрических соединений и некоторые другие).
Ввиду сложности и многофакторности проблем конструирования, теория, относящаяся к РЭС в целом, пока не может 32
полностью основываться на математических методах. Широко используются методы сравнительных и качественных оценок, эвристические и т. п. С одной стороны, это приводит к некоторой неоднозначности и неполноте исследований и оценок, с другой — дает большие возможности для творческих исканий, выдумки, изобретений [1.2].
Методология РЭС. В формировании науки, теории и опыта определяющее значение имеет методология, которая представляет систему принципов и правил познания и действий или систему принципов и способов организации теоретической и практической деятельности в определенной области знаний, в нашем случае — в конструировании РЭС. Принцип есть основное исходное положение какой-либо науки.
Иногда методологию определяют как учение о методах. Метод есть способ достижения какой-либо цели или решения определенной задачи. Другими словами, теория есть результат познания, методология есть способ достижения и построения знаний. Следовательно, знания и теория строятся (формируются) на основе методологии. Поэтому, рассматривая вопрос о научном подходе к конструированию, о его теоретических основах, необходимо изучить методологию конструирования, сформулировать ее основные принципы.
К таким принципам следует отнести:
1. Системный подход и его конкретизацию применительно к РЭС.
2. Синтез РЭС со стремлением к их оптимизации по различным критериям.
3. Иерархический принцип построения РЭС. Разукрупнение. Формирование РЭС на несущих конструкциях, на основе механического объединения и электрического соединения элементов в начальный (первый) иерархический уровень. Последующее построение РЭС на несущих конструкциях высокого уровня с механическим объединением и электрическими соединениями на нескольких более высоких иерархических уровнях.
4. Обеспечение непрерывного повышения экономической эффективности РЭС, их проектирования, производства и эксплуатации. Расширение автоматизации с применением вычислительной техники для совершенствования проектирования, изготовления и эксплуатации, их организации.
5. Технологичность—создание конструкций, предусматривающих изготовление с использованием высокоэффективных, безотходных, энергосберегающих, высокопроизводительных технологических процессов и оборудования, при исключении вредного влияния на рабочего и окружающую среду.
6. Случайный характер отклонений в производстве и изменений в эксплуатации параметров и характеристик РЭС, а также отказов. Необходимость использования вероятностных и статистических методов.
2 Зак. 2019
33
7. Обеспечение надежности, устойчивости против внешних воздействий и удобного развертывания, размещения, восстановления.
8. Микроминиатюризация, конструктивно-технологическая и функционально-физическая интеграция, оперативное внедрение в практику конструирования новых физических явлений.
9. Обеспечение согласования РЭС с эргономическими свойствами человека-пользователя РЭС и с объектом размещения, в том числе в части массы, габаритов и управления.
10. Унификация, нормализация и стандартизация в РЭС.
11. Влияние частоты сигналов на конструкцию, определяющее значение электрических постоянных (проводники) и разъемных соединений (соединители, коммутаторы).
12. Комплексное использование эвристических, экспериментальных (макеты, образцы), расчетных и автоматизированных методов конструирования.
Принципы 1, 2, 4, 5, 7, 10 и 12 имеют общее значение с особенностями применительно к РЭС.
Принципы 3, 8 и 11 специфические для РЭС.
Совокупность указанных принципов составляет методологию конструирования РЭС, формирует их научную, теоретическую и практическую основу.
Некоторые принципы коротко рассмотрены в настоящей главе. Ввиду важности и фундаментальности принцип системного подхода был применительно к РЭС упомянут и использован в гл. 1. Некоторым принципам посвящены отдельные главы, например разукрупнение РЭС, надежность, РЭС в составе СЧМ, применение ВТ, и в данной главе на них подробно не останавливаемся.
2.2. СИСТЕМНЫЕ МЕТОДЫ,
ИХ ФИЛОСОФСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ И
ПРИМЕНЕНИЕ В КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС
Системные методы. Выше была указана необходимость комплексного, системного подхода к конструированию РЭС. Теперь полезно дать основные понятия и определения, относящиеся к системным методам (системному подходу) с тем, чтобы в последующем этим руководствоваться.
Как известно, в настоящее время при решении различных задач в науке и технике, при исследовании, разработке, производстве и эксплуатации технических средств широкое применение получили «системные методы» или «системный подход» [1.2, 2.2]. Системные методы связаны с понятием «система».
Под системой будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств (частей, подсистем, элементов) совместно выполняющих заданные функции (решающих общую задачу) 34
в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития и противоречий [1.5].
При системном подходе изучаемый, проектируемый, изготовляемый и эксплуатируемый объект (техническое средство или устройство, процесс) рассматриваются как система. Системный подход широко используется не только в технике, говорят о биологических, производственных и экономических системах, о системе наук и т. п. Такое понятие системы также будет использоваться ниже.
Используя системный подход необходимо иметь в виду, что он предполагает продуманное и умелое выделение в системе наиболее существенных для ее функционирования подсистем и взаимосвязей и отбрасывание, особенно на начальных этапах исследований и проектирования, тех подсистем и взаимосвязей, которые можно оценить как менее значимые, поскольку учет всех подсистем и взаимосвязей обычно невозможен, а всякое «отбрасывание» приводит к «загрублению», уменьшению точности и детальности исследований.
Системный метод и конструирование РЭС. Используя системный подход, конструкцию РЭС следует рассматривать как подсистему систем более высокого иерархического уровня и в свою очередь подразделять на подсистемы.
Конструкция РЭС как подсистема должна рассматриваться во взаимосвязи с системой РЭС в целом, а последняя—как составная часть радиоэлектронных информационных систем. Кроме того, очень важно рассматривать конструкцию РЭС во взаимосвязи (в системе) с технологией РЭС. Конструкция и технология РЭС входят в свою очередь в систему более высокого уровня — конструкции и технология техники, обеспечивающей информационные потребности общества и техники вообще. Производство РЭС полезно рассматривать в системе промышленного производства техники [1.2]. В свою очередь конструкцию РЭС полезно разделять на подсистемы. В гл. 1 это было выполнено путем ее разделения на конструкцию, принцип действия и схемы, а также разукрупнения на первый, второй и третий уровни конструктивной сложности или на элементы, электрические соединения и несущие конструкции и другими способами.
Иерархия систем. Поскольку каждая система состоит из взаимосвязанных частей (подсистем или элементов) и в свою очередь входит в систему более высокого уровня, которую можно называть «суперсистемой» или «надсистемой», то существует иерархия систем.
Под системой при этом можно понимать как находящиеся на высших иерархических уровнях сложные, разветвленные и рассредоточенные образования, отличающиеся значительной технической сложностью и решающие большие по масштабам задачи, например технологическая система отрасли, так и более простые,
2*
35
находящиеся на низших иерархических уровнях, например отдельные радиотехнические устройства, их конструкция, элементы и т. п. Поэтому иногда для наиболее значительных по масштабам систем применяют термин «большая система». Рассматривая иерархию, можно от систем высокого уровня переходить к системам низшего уровня, и наоборот.
Если формировать иерархию систем от «конструкции РЭС», то переходя к более высоким иерархическим уровням, получим: конструкция РЭС; РЭС; РТС или другие радиоэлектронные информационные системы; радиоэлектроника; общество с его потребностями в извлечении, передаче и обработке информации, а также с его трудовыми, научными и материальными ресурсами.
Смысл использования системных методов состоит в том, что они позволяют избегать узких, односторонних ошибочных решений, представлений и заключений. Очевидно, что мудрые деятели, в том числе и в технике, и прежде использовали системный подход. Вместе с тем часто наблюдался и наблюдается в настоящее время несистемный, узкий подход, например конструкцию РЭС рассматривают в отрыве от технологии и экономики или волюнтаристски принципы действия РТС и схемы РЭС считают все определяющими и отрывают от конструкции и технологии, чему можно найти подтверждение во многих книгах. Это привело и приводит к ошибкам в проектировании, переделкам и длительному освоению в производстве.
В связи с усложнением задач и техники системный подход обязательно должен сознательно формироваться. Нельзя надеяться, что он будет возникать стихийно, на основе интуиции. При системном подходе все в большей мере удается использовать математические модели, что позволяет проводить синтез и оптимизацию с получением количественных результатов. Во многих случаях это не удается выполнить, тогда системный подход важен как метод мышления и получения правильных качественных представлений и решений, как методологический принцип.
Философское содержание системных методов. Системные методы в технике являются конкретизацией материалистической диалектики для решения технических задач, в них находят отражения все категории и законы диалектики.
Эффективность системных методов, их адекватность сущности сложных явлений и процессов, их широкое признание среди современных ученых и инженеров, привело к тому, что иногда противопоставляют эти методы диалектике и утверждают, что системные методы пришли на смену «устаревшей» диалектике. Острая идеологическая борьба, развернувшаяся по этому вопросу, отражена и в работах советских философов [2.1].
Таким образом, системные методы имеют большое мировоззренческое значение, их эффективное использование в науке и технике дает дополнительные аргументы в пользу диалектики.
36
2.3. СЛУЧАЙНЫЕ ОТКАЗЫ И ОТКЛОНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ РЭС. НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТНЫХ МЕТОДОВ
Системный подход и вероятностные методы. Системный подход предусматривает рассмотрение объектов во взаимосвязи и в развитии. В связи с этим отметим, что характеристики и параметры РЭС определяются взаимодействием многих частей или подсистем (элементов), каждая из которых в свою очередь может быть представлена как совокупность подсистем еще более низкого иерархического уровня. Например, в РЭС можно представить следующую иерархическую последовательность: материалы, технологические процессы (оборудование и инструмент), детали, элементы, электрические соединения, несущие конструкции, РЭС. На каждом из этих уровней приходится иметь дело со случайными отклонениями, воздействиями, взаимодействиями и т. п. Кроме того, наблюдаются процессы изменения состояний во времени (развитие деградаций). Параметры на всех уровнях должны рассматриваться как случайные события, величины, процессы, которые обычно регламентируются допусками.
Случайный характер имеют внешние воздействия, случайными величинами описываются время поиска неисправностей и ремонта, время работы до отказа и т. п. Только некоторые показатели, такие как масса, габариты, потребляемая мощность, диапазон частот и другие, допустимо практически выражать детерминистически, не используя вероятностных понятий. Это приводит к необходимости использования вероятностных понятий и представлений. Необходимо теперь сделать обобщения и сформулировать основные определения содержания и смысла вероятностных методов.
Определение вероятностных методов. Вероятностные методы можно определить как методы исследований, расчета, анализа и синтеза, основанные на применении вероятностных понятий, моделей и закономерностей, их преобразовании и истолковании, использующие результаты статистических наблюдений и их обработку [10.3].
В последующем изложении будем исходить из того, что основные вероятностные понятия, такие как: случайные события, величины и процессы, вероятности случайных событий, плотность функции распределения вероятности случайных величин, моменты функций распределения случайных величин (математическое ожидание и дисперсия), корреляция и другие, а также их преобразования, известны из соответствующих дисциплин. Мы не имеем возможности изложить их подробнее, и в случае, если будут
37
возникать затруднения, следует обратиться к соответствующей литературе.
Развитие вероятностных методов. Ученые и инженеры обычно стремились к выявлению законов и расчетных выражений, однозначно связывающих первичные известные параметры с выходными, которые следует определить. При этом принцип причинности или детерминизма принял форму «жесткого» или Лапласова детерминизма.
Однако из практики давно известно, что реально значения параметров имеют отклонения от расчетных и номинальных значений и случайно изменяются во времени, при изменениях температуры и т. д. Эти отклонения раньше часто рассматривались, как следствие того, что наука еще не выявила полного комплекса факторов, влияющих на результат. Полагали, что используемые формулы не все учитывали [2.6].
Постепенно сформировалась такая точка зрения, что в технике все однозначное — научно, а все связанное со случайными отклонениями еще не освоено наукой или отображает наличие дефектов изготовления. Однако последующее развитие науки и техники показало, что проблема случайностей значительно многообразнее и сложней.
Наука столкнулась с тем, что в ряде случаев закономерности, которые характеризуют результат, в своей основе являются вероятностными. Постепенно накапливая факты, пришли к выводу о необходимости изменения прежних представлений о научности и фундаментальности только однозначных детерминистических зависимостей. Важную роль в этом сыграла квантовая механика, которая, как известно, смогла объяснить многие явления только при использовании вероятностных понятий [1.5, 1.7].
Философия и математика примерно в то же время, когда из развития физики и техники стала очевидной фундаментальность вероятностных методов, дали им (методам) философское и теоретико-аксиоматическое обоснование [2.5].
В результате было определено, что когда в формировании конечного результата участвует множество элементов или частиц и т. д., количество переходит в качество, однозначные закономерности теряют свое значение и результаты научно могут быть описаны только вероятностно. Следовательно, развитие науки, техники и производства, позволяя все глубже проникнуть в суть процессов, происходящих в природе, технике и обществе, потребовало диалектического развития принципа причинности, что привело к современному диалектическому детерминизму, важной особенностью которого является использование вероятностных представлений.
Наиболее прозорливые мыслители уже давно правильно оценили значение и перспективность вероятностных методов, стали популязировать их. В России это связано с деятельностью 38
гениального поэта и мыслителя А. С. Пушкина. По его поручению П. Б. Козловским была написана и опубликована в журнале «Современник» № 3 за 1836 г. большая статья «О надежде», которая являлась первой отечественной статьей по теории вероятности, предназначавшаяся для широкого круга читателей. В этой статье, если пользоваться современными терминами, дано определение вероятности простых и сложных случайных событий, приведен вывод биномиального закона распределения вероятностей, представлен график, показывающий закономерности, которые характеризуют выход из строя при старении, приведено много примеров и, что особенно важно, содержатся убедительные доводы в пользу широкого использования вероятностных понятий и закономерностей в практике.
В настоящее время ряд теоретических и прикладных наук основываются на применении вероятностных методов и признании их фундаментальности. Например, кибернетика, теория связи, измерительная техника, теория допусков и надежности и другие.
Использование и роль вероятностных методов в конструировании РЭС. Вопрос об использовании вероятностных методов применительно к РЭС и конструкции РЭС имеет некоторые особенности. Длительное время параметры аппаратуры рассматривались как детерминированные величины, принимающие однозначные определенные значения. На ранних этапах развития РЭС это оправдывалось тем, что аппаратура была сравнительно простая, конструкции и технология заимствовались из электромеханики, случайные отклонения и изменения параметров аппаратуры изучались экспериментально без привлечения теории, для их учета предусматривалось наличие значительных «запасов» для наблюдаемых значений по отношению к допустимым, а также введение подстроек и регулировок.
Усложнение конструкций и технологии РЭС, использование при ее изготовлении и функционировании сложнейших физических процессов, характеризующихся значительным «числом степеней свободы» привело к тому, что, руководствуясь системным подходом, уже невозможно абстрагироваться от случайных отклонений и изменений в параметрах и характеристиках РЭС и их элементов, а также от того влияния, которое оказывают эти отклонения и изменения на основные показатели качества РЭС, такие как надежность, стабильность параметров, затраты на эксплуатацию и т. д. Отклонение и нестабильность параметров РЭС в значительной степени определяются конструкцией и технологией, именно в этой части конструктора-технологи оказывают одно из основных влияний на развитие РЭС и показатели качества.
Применение вероятностных методов обусловливается следующими основными причинами [1.7]:
39
1. В основе функционирования многих РЭС и их элементов лежит использование сложных физических явлений, в которых полезный эффект формируется совокупным действием множества элементарных образований, находящихся в сложном случайном взаимодействии между собой.
2. В тех случаях, когда для функционирования РЭС и элементов используются сравнительно простые физические явления, для которых найдены однозначные законы, сталкиваются с тем, что в процессе изготовления РЭС имеется большое количество связанных с технологией производства (чистота материалов, состояние инструмента и т. д.) «степеней свободы», детерминиза-ция которых экономически нецелесообразна и организационно трудновыполнима. Тогда параметры и характеристики РЭС также оказываются случайными величинами и функциями.
3. В ряде случаев физический процесс, определяющий изготовление и функционирование РЭС или их элементов, изучен не полно, но практически наблюдается статистическая устойчивость, которая позволяет из эксперимента найти и затем использовать количественные характеристики РЭС и их элементов, основанные на вероятностных представлениях.
Конечно, при конструировании, проектировании технологии, и в процессе производства, следует стремиться к уменьшению рассеивания значений параметров или их отклонений, т. е. к сужению допусков и повышению стабильности во времени и при действии дестабилизирующих факторов, а также к увеличению времени работы без внезапных отказов. Однако опыт и теория показывают, что это возможно только до определенного уровня. Улучшение этих показателей часто требует пересмотра и усложнения конструкции, использования более дорогих материалов, более сложных технологических процессов, т. е. сопровождается увеличением стоимости, а часто увеличением массы и габаритов [1-7].
Допустим такой уровень отклонений и нестабильности, который экономически и технологически оправдан. Как правило, совершенствование конструкции и технологии позволяют уменьшить отклонения, нестабильность, но достижение этих результатов требует того, чтобы конструктор и технолог могли оперировать вероятностными методами и пользоваться понятиями, которые позволяют количественно характеризовать параметры.
Подчеркивая важность применения вероятностных методов, следует иметь в виду, что они должны использоваться в разумном сочетании с детерминистическими, так как последние предполагают значительно меньший объем вычислительных работ и более простые математические выражения. Наглядно области целесообразного применения вероятностных и детерминистических методов приведены в табл. 2.1. ч 40
Таблица 2.1. Области применения детерминистических и вероятностных методов в исследованиях, проектировании, производстве и эксплуатации аппаратуры.
Де1ерминистический метод Вероятностный метод
(Законы и зависимости однозначные) Начальный этап физических исследований при ограниченном количестве переменных, когда для выявления основных зависимостей полезно допускать значительные приближения Начальные расчеты в первом приближении. Иллюстративные и качественные расчеты Проектирование, производство и эксплуатация простейших технических устройств (Используют вероятностные понятия, закономерности и модели, их преобразования и истолкование) Исследования, в том числе теоретические, получение закономерностей и количественных характеристик физических явлений, в которых результат формируется совокупностью многих переменных (элементов, степеней свободы). Проектирование, расчеты и оптимизация устройств, использующих указанные физические явления Исследование и количественная оценка влияния элементов, их реальных характеристик на свойства и параметры рэс Инженерные расчеты, оптимизация при проектировании производства и эксплуатации технических устройств, для которых существуют однозначные зависимости, но необходим учет случайных факторов, обусловленных технолого-экономическими причинами Оценка статистических свойств параметров аппаратуры. Теория и планирование экспериментов. Получение из опыта количественных характеристик при невозможности теоретического выявления законов и зависимостей Анализ, исследования и оптимизация производства. Система допусков и ее оптимизация Анализ и исследования надежности, оптимизация эксплуатации и технического обслуживания
2.4. СИНТЕЗ РЭС И ОПТИМИЗАЦИЯ
Основные принципы синтеза и оптимизации. Осуществляя синтез конструкции, конструктор всегда должен стремиться к оптимизации, т. е. к получению и применению наилучших решений, включающих следующие основные принципы:
1. Формирование критерия оптимальности.
2. Выявление средств достижения оптимума, т. е. тех факторов, которые можно варьировать, добиваясь оптимума.
3. Формулирование условий и ограничений, при действии которых должна осуществляться оптимизация.
4. Выбор метода нахождения оптимума.
Критерии оптимальности РЭС должны относиться к наиболее существенным параметрам и характеристикам РЭС, таким как стоимость (затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию), надежность (включая безотказность и ремонтопригодность), масса, получение наиболее высоких тактико-технических показателей, перспективность (способность к длительному удовлетворению потребностей общества по тактико-техническим и экономическим показателям) и т. п.
41
Оптимизация по многим критериям, (параметрам), или по комплексным многомерным критериям, перспективна, но связана со значительными техническими и математическими трудностями. Формирование комплексных критериев оптимальности изучалось в соответствующих математических дисциплинах. Однако часто полезно и возможно использовать простые критерии, добиваясь экстремума по одному важнейшему показателю качества.
Следовательно, первым шагом к оптимизации РЭС является выделение показателей качества наиболее значимых для данной РЭС, по которым следует стремиться к получению оптимума. При этом остальные показатели также должны учитываться, но уже в категории условий, так как их следует выдержать на определенном уровне. Например, для бортовой аппаратуры необходимо стремиться к минимуму массы, при условии, что соблюдаются допустимые требования по тактико-техническим показателям, перспективности, надежности, трудоемкости и сложности эксплуатации, стоимости. Для уникальной РЭС, например радиотелескопа для исследования других галактик, на первое место следует поставить достижение предельно возможных точностных характеристик. Для бытовой аппаратуры обычно основным является стоимость, и следует ее минимизировать при выполнении ограничений по другим показателям.
Средства достижения оптимума могут быть разные, большое значение имеет выбор элементной базы и принципов конструирования РЭМО и РЭМ1 (материал основания, количество слоев и размеры печатных плат, допустимые размеры печатных проводников и промежутков между ними и т. п.), принципов защиты от внешних воздействий (влажность, механические нагрузки) и тепловых перегревов и др.
Важное значение имеет выявление и формулирование условий, в которых осуществляется синтез и оптимизация, в том числе формирование ограничений на параметры, которые изменяются при достижении оптимума по основному показателю качества. Эти условия могут относиться к технологии, стандартизации, материалам и т. п. Много трудностей связано с выбором метода нахождения оптимума.
Методы нахождения оптимума. Перспективными являются математические методы (аналитические и вычислительные). Они основательно разработаны, изучаются в соответствующих математических дисциплинах. Определенное применение при поиске оптимизма получил простейший вариант аналитических методов, когда оптимизируемый показатель а выражается через функцию от одного параметра а15 который подлежит варьированию при достижении оптимума. Если получено выражение
а=/(а1а1а2«з-)> (2.1)
где аг, а2, а3 — не варьируемые при оптимизации параметры или факторы, тогда
с/ос, da.1 ’ ' ’ '
что дает значение а1опт, оптимизирующее а. Затем определяется аопт. Этот аналитический метод удобен своей сравнительной простотой математических преобразований и наглядностью результатов. Изменяя аг, а2, а3, можно выявлять, как изменение
42
неварьируемых при оптимизации факторов будет влиять на оптимум.
Этот вариант неоднократно будет использоваться ниже, при определении условий оптимизации затрат на производство и эксплуатацию, оптимального уровня интеграции в микросхемах и числа типоразмеров в стандартном ряду и некоторых других.
Сложность и многомерность задач конструирования РЭС, наличие при этом действия многих факторов, которые трудно количественно оценить и выявить соотношения, отражающие их влияние на результат, приводит к тому, что математические (аналитические и вычислительные) методы оптимизации часто не удается использовать. В этих условиях при оптимизации РЭС осуществляют декомпозицию системы, разделяя ее на более однородные части, которые и подвергаются оптимизации. При этом, если правильно выполнена декомпозиция, можно ориентироваться на то, что РЭС, сформированная из оптимизированных частей, будет близка к оптимуму.
Иногда применяют качественный поиск лучшего решения, основываясь на сопоставлении вариантов, которые формируются и сравниваются эвристически или расчетно. В этом кроется недостаток оптимизации конструкции РЭС, но в этом же содержатся большие возможности принятия нетривиальных, поисковых, творческих решений, в полной мере вскрывающих творческие возможности конструктора [1.2].
Оптимизация суммарных затрат на производство и эксплуатацию РЭС в зависимости от надежности. Рассмотрим пример оптимизации. Предположим, что на требования к надежности влияет только экономика, а другие факторы, влияющие на эти требования, например вероятность выполнения задания, недопустимость перерывов в работе, обеспечиваются, например, при дублировании. Обычно повышение надежности связано с увеличением затрат, так как достигается, например, выбором элементов более надежных, но с большей массой и стоимостью, ослаблением электрического режима элементов, усложнением средств тепло-и влагозащиты, а также средств ослабления действия механических нагрузок, введением резервирования и т. д. Очевидно, что эти меры приводят к увеличению стоимости, массы и габаритов. Снижение стоимости изготовления часто приводит к ухудшению надежности и, как следствие, к увеличению эксплуатационных затрат. Следовательно, можно предполагать, что имеется значение надежности, при которой суммарные затраты при заданном времени эксплуатации t3 будут минимальны.
Затраты на производство определим, полагая, что они имеют обратную зависимость от суммарной интенсивности потока отказов
Сп=Сп0(1 + Оп^Й1)=СпЛв(1+Оп/(1Л,)’О1), ”м‘- (2.3)
43
где Сп0 — минимальная стоимость РЭС; Сп1—минимальная стоимость РЭС, отнесенная к одному выводу (получается при применении наиболее дешевых элементов конструкции, простейшей защите от воздействий и без дублирования); ап — коэффициент повышения стоимости при переходе к наиболее совершенной из рассматриваемых конструкций; — суммарная интенсивность отказов РЭС; — интенсивность отказов, отнесенная к одному выводу на ЭРЭ и ИС, входящих в РЭС (в средних условиях Xj^lO-6); NB— общее число выводов; ак— коэффициент с размерностью час“, а — показатель степени, отражающий скорость изменения стоимости при изменении .
Затраты на эксплуатацию определяются тем, что при отказах осуществляется восстановление, затрачивается труд оператора и запасные элементы. Тогда
Сэ = Сэ1М(гв)гАе, (2.4)
где С3 х — средние затраты на один час работы по восстановлению, M(tB)— среднее время восстановления, t3— время эксплуатации (например, 10 лет или %105 ч).
Как показано в гл. 10, время M(tB) зависит от сложности аппаратуры, т. е. М(tB) = a3NB, где аэ — время восстановления, отнесенное к одному выводу. Тогда
C3 = C31N2Bt3\a3. (2.5)
Общие затраты
(2-6)
нулю, получим
(2.7)
а3 = 10“3 ч/выв.,
Взяв производную по Xj и приравняв ее при а=1/3
7 = /( с°1а°аЛ3 1
1ОПТ. \l\C3ia3tJ <
Например, для возможного случая при
7VB=103, а, = 103, Сп1 = 1р/выв., Сэ1 = 10р/ч,
Ю~9 10~6 . К"3
Рис. 2.1. Оптимизация суммар-
ных затрат
ап=10; гэ = 105ч, ос= 1/3 получим к1опт^10 6 1 /ч.
По Х1опт можно
Qmhh —2000 р.
Результаты оптимизации суммарных затрат в зависимости от Хх приведены на рис. 2.1.
Основное значение полученных результатов состоит в том, что они показывают наличие минимума суммарных затрат и степень влияния показателей конструкции, производства, на
найти
дежности и эксплуатации на оптимальное значение и суммарные затраты.
44
2.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Технико-экономическая эффективность. Экономические показатели имеют важнейшее значение в технике. В настоящее время стоит задача обеспечения интенсивного развития, при котором уменьшаются затраты труда, энергии, материалов и т. п. на единицу выходного продукта (на изделие) и в то же время улучшаются технические показатели.
Известно, что радиоэлектронные информационные системы и, следовательно, входящие в их состав РЭС, позволяют в ряде случаев получить высокую экономическую, социально-экономическую и оборонную эффективность [1.5]. Встречаются случаи, когда эффект от применения определенных систем и РЭС установлен, например, из предшествующего опыта. Тогда повышение эффективности достигается снижением затрат при обеспечении определенных тактико-технических характеристик.
В этих условиях при оценке экономической эффективности РЭС пользуются понятием технико-экономической эффективности. Она оценивается по приведенным затратам Спр1, в которые входят: составляющая, зависящая от капитальных затрат Ск1, и составляющая, зависящая от затрат на эксплуатацию Сэ1:
Gpi=(Gi/G)+Gi, (2.8)
где /ок— время окупаемости, обычно 4...8 лет. Многие радиотехнические устройства при качественном обслуживании и ремонте могут функционировать в течение 10...20 лет. Это время не следует смешивать с временем морального старения, которое обычно для РЭС составляет около 5... 10 лет.
Составляющая приведенных затрат, связанных с капитальными затратами для одного экземпляра, равна:
(G1 /G)“(Gpl + Сразм 1 4" G.1 1 )/Ск’ (2-9)
где Спр1 — затраты на производство аппаратуры; Сразм1—затраты на размещение аппаратуры; Свд1 — затраты на ввод аппаратуры в действие. Затраты относятся к одному комплекту РЭС.
Эксплуатационные затраты или расходы складываются из затрат на энергию, техническое обслуживание и ремонт, включая зарплату эксплуатационного персонала с накладными расходами, а также отчисления на амортизацию аппаратуры:
Сэ 1 = Gm 1 + Gap пл 1 + Gnn 1 + G3 1 > (2- Ю)
где Сэ1—средние эксплуатационные расходы; Сам1 — амортизационные отчисления; Gapnni — зарплата эксплуатационного персонала; Сзип— расходы на запасное имущество и приборы; Сээ — расходы на энергию.
45
Все расходы берутся на один комплект за единицу времени, обычно за один год. Изделие считается отвечающим требованиям технико-экономической эффективности, если приведенные" затраты меньше какого-то заданного уровня или меньше, чем у предшествующего варианта или варианта, с которым производится сравнение. При этом предполагается, что полезный эффект от применения РЭС определяется техническими параметрами, которые задаются и должны быть обеспечены во всех вариантах, сравниваемых по технико-экономической эффективности. Таким образом, техникоэкономическая эффективность комплексно оценивает РЭС с учетом затрат как на изготовление, так и на эксплуатацию новой техники.
Технико-экономический анализ применения новой техники имеет большое значение. Он позволяет оценивать эффективность технических решений, в том числе в части конструкции и технологии, элементной базы и т. п. Расчет технико-экономической эффективности проводится по разработанным методикам [2.4].
Затраты на изготовление в значительной степени определяются стоимостью элементов, так как известно, что элементная база составляет до 70...80% стоимости аппаратуры. Конструктор РЭС, решая вопрос о применении тех или иных элементов, должен обязательно учитывать их стоимость.
Вместе с тем, элементы в значительной мере влияют на составляющую приведенных затрат, связанную с эксплуатацией, так как она зависит от стабильности и надежности элементов и РЭС. Действительно, чем менее стабильны и надежны элементы, тем чаще нужно проводить контроль работоспособности аппаратуры, осуществлять поиск неисправности, ремонт, замену, регулировку и т. д. Конструктор РЭС должен обязательно предусматривать меры, обеспечивающие удобную замену элементов и диагностику отказов, а также подрегулировку и защиту от тех внешних воздействий, которые особенно существенно сказываются на работе РЭС.
Обычно затраты на эксплуатацию РЭС за длительное время соизмеримы или больше, чем затраты на ее изготовление.
Влияние серийности, срока морального старения и продолжительности применения. Для правильного конструирования важно понимать, как влияют на экономические показатели такие качества РЭС, которые в значительной мере определяются конструктором, его умением прогнозировать развитие потребностей общества, совершенствованием элементной базы, прогрессивными изменениями принципов конструирования РЭС и т. п. Для этого следует выявить влияние срока морального старения, серийности и объема производства, продолжительности эксплуатации каждого комплекта РЭС на затраты на один комплект.
Общие затраты С31 на комплект РЭС равны:
C31 = Cp/jVy + Cn.n/2Vy + CB3rl + c31t3K, ' (2.1Ц
46
где Ср и Спп — общие затраты на проектирование и подготовку производства; Сизг1 — затраты на изготовление одного комплекта; N— количество комплектов, которые следует изготовить; сэк1 — средние годовые затраты на эксплуатацию; г)К1—время эксплуатации одного комплекта.
Удобно перейти к среднегодовым затратам на один комплект, учитывая, что Ny = nytBisn, где пу—ежегодный выпуск, Гвып — время, в течение которого производится изготовление.
Тогда общие затраты, отнесенные к одному году эксплуатации, равны:
С1 Ср / (^y 7ВЫП ?Эк 1) + Сп п /(Лу 1ВЫП t3K) + Сизг 1 / t3K! + сзк ।. (2.12)
Из выражения вытекает, что для снижения среднегодовых затрат, которые должны быть возможно меньше по сравнению со среднегодовым эффектом от применения РЭС, необходимо: уменьшать сэк1 за счет повышения надежности, улучшения ремонтопригодности, автоматизации применения по назначению и технического обслуживания, снижения энергозатрат и др.;
увеличивать /эк1, которое входит в знаменатель всех членов, кроме сэк1, что достигается в основном проведением ремонтов и восстановлений РЭС, использованием элементов с большим сроком физического старения;
увеличивать среднегодовой выпуск, что достигается созданием РЭС широкого применения, имеющих большие заказы от многих потребителей, поскольку пу входят в знаменатель первых двух членов;
увеличивать время, в течение которого целесообразно продолжать выпуск изделия. Оно зависит от времени морального старения гмс, от времени, затрачиваемого на проектирование Zp и подготовку производства /пп, поскольку моральное старение начинается практически с начала проектирования, тогда:
^вып_'мс ^П.П- (2.13)
Если ?мс = Ю лет, t =3 года и 7ПП = 2 года, то 7ВЫП = 5 лет, что, конечно, очень мало. Увеличение /вып требует увеличения /мс, что . зависит от того, в какой мере при проектировании удалось г. предвидеть (прогнозировать) потребности общества, возможности их удовлетворения при определенном уровне технических параметров и экономических показателей, а также от того, насколько ,4 удачно решена задача прогнозирования развития радиоэлектроники, выбора перспективных и в то же время реальных для производства принципов действия, схем, конструкций, элементной базы и технологии. Большое значение имеет также сокращение tp и /п п. Сокращение tp достигается автоматизацией проектирования и исследований, расширением нормализации и стандартизации, широким использованием принципа параллельного ведения работ одновременно по многим блокам и ячейкам, что осуществимо
47
благодаря иерархическому принципу построения РЭС (разукрупнение):
сокращение tn п достигается за счет автоматизации, использования АСУ ТП, ГАПС, унификации конструкций, нормализации технологических процессов;
затраты на проектирование Ср зависят от сложности РЭС, степени унификации и стандартизации, от количества переделок и доработок, использования САПР и АСНИ.
Затраты Ср определяются также тем, что оно ведется или на уровне уже достигнутых и опробированных конструкций, технологий, освоенной элементной базы, тогда затраты могут быть относительно небольшими, но время морального старения /мс короткое, или назрела необходимость поиска новых решений, принципов, конструкций, технологии, элементов, еще не опробированных, но перспективных и прогрессивных. В последнем случае затраты существенно больше, зато можно получить изделие с высокими техническими и экономическими характеристиками, которое длительное время будет удовлетворять потребности общества, т. е. будет иметь большое Гмс. Решение вопроса о выборе этих вариантов требует глубокого анализа состояния и развития потребностей и радиоэлектроники. Задача эта является очень сложной, но часто решающей успех дела. Консерватизм, затягивающаяся ориентировка на освоенное, просто и дешево реализуемое, приводят к тяжелым последствиям для общества, к поражениям в конкурентной борьбе на мировом рынке; затраты на подготовку производства также сопряжены с противоречиями. Если изделие имеет много заказчиков и предполагается значительное /вып, то может быть выгодно для уменьшения Сизг1 увеличить Спп, изготовив инструмент, автоматизированное оборудование, оснастку. При малом выпуске и небольшом /вып это себя может не оправдать. Как видно, можно поставить задачу минимизации затрат на проектирование, подготовку производства и производство в зависимости от пу, /изг, варьируя Ср, Спп и Сизг1.
Из сказанного следует, что можно поставить задачу минимизации суммарных затрат на проектирование, подготовку производства и изготовление, с одной стороны, и эксплуатацию — с другой. Увеличивая затраты Ср, Сп п и Сизг1, например, усложняя изделия, обеспечивая автоматизацию применения средств по назначению, контроля, поиска неисправностей и т. п., можно значительно сократить сэк j, что особенно существенно скажется при значительных пу, /вып и /эк.
При выпуске бортовой аппаратуры задача усложняется, так как большое значение приобретает задача по уменьшению массы РЭС £>рэс, а это связано с затратами. Из изложенного следует, что экономические показатели РЭС зависят от многих факторов и правильное решение задачи по их уменьшению обязательно должно учитываться конструктором.
48
2.6. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ
Принцип технологичности. Под технологичностью конструкции изделия (согласно ГОСТ 14.205—83) понимают совокупность свойств конструкции (изделия), проявляемых в возможности оптимизации затрат труда, средств, материалов и времени при подготовке производства, изготовлении и эксплуатации, по сравнению с соответствующими показателями конструкций другого изделия того же назначения, при условии обеспечения значений показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Разделяют производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность и технологичность обслуживания. Последние две учитываются в понятии ремонтопригодность.
Технологичность — относительная характеристика и определяется сравнением с аналогом. Принцип технологичности очень важен. Что бы ни создавал конструктор, он всегда должен представлять, как это можно сделать с малыми затратами труда, энергии, материалов и времени, ориентируясь на определенное оборудование, которое имеется в наличии на предприятии, где предполагается изготовление, и на заданное количество изделий, которое должно быть изготовлено.
Рассматривают технологичность: изготовления деталей; сборки несложных сборочных единиц и технологичность сборки и регулировки блоков, стоек, комплексов.
Технологичность и объем производства. Основное влияние на конструкцию в части ее технологичности оказывает объем производства. Для единичных уникальных изделий при создании конструкции следует ориентироваться на универсальное оборудование и привлечение рабочих высокой квалификации; для серийного производства — на оборудование, допускающее производительное использование приспособлений и инструмента и при сборке — на конвейеры с широким применением приспособлений, в том числе специального оборудования контроля правильности функционирования РЭМО, РЭМ1 и РЭМ2.
Для конструкций, допускающих создание деталей и простых сборочных единиц многих вариантов на основе базовой конструкции, очень перспективным является ориентировка на ГАПС.
Для крупносерийного и массового' производства следует ориентировать конструкцию на возможно более полную автоматизацию как в части деталей, так и сборки, контроля, регулировки. Обычно РЭС относятся к серийным изделиям, но при правильном их конструировании, с использованием унификации и стандартизации, входящие в них части, например крепежные детали, электрорадиоэлементы, печатные платы, несущие конструкции, могут изготавливаться крупными сериями и их производство полезно полностью автоматизировать.
Ошибочно думать, что упомянутые выше варианты объема производства влияют только на технологию, а конструкция может оставаться одной и той же. Например, каркас для катушки индуктивности можно вытачивать из заготовки или прессовать из пластмассы. Многие стороны конструкции при этом оказываются разными, например размер диаметра по длине цилиндра, расположение отверстий и т. п.
Технологичность и оборудование предприятия. Во многих случаях создаваемая конструкция предназначена для изготовления на определенном предприятии, на
49
котором одновременно осуществляется и будет осуществляться в дальнейшем изготовление многих других РЭС. При этом задача конструктора усложняется. Ему необходимо ориентироваться на стандарты данного предприятия (СТП). Обычно на предприятиях ориентируются на более узкую номенклатуру крепежа, материалов, электрорадиэлементов и т. п., чем это разрешается ГОСТ или ОСТ.
Кроме того, каждое предприятие оснащено определенным оборудованием, на котором освоены специфические технологические процессы. Создавая конструкцию, необходимо это обязательно учитывать, даже если при этом придется ориентироваться на менее производительное изготовление, чем это в принципе возможно, если использовать другое оборудование и другие процессы, которых нет на данном заводе. Если настаивать, чтобы для одного изделия из многих осуществлялось переоборудование, то обычно это приводит к большим затратам и потерям времени.
Технологичность и стандартизация (унификация). Наибольшее значение для технологичности в серийном производстве имеет стандартизация и унификация, в том числе использование параметрических рядов. Этот вопрос рассматривается в [2.8], и на нем подробно здесь не останавливаемся. Отметим только, что в качестве одного из основных показателей технологичности используется оценка относительного количества унифицированных (стандартизованных) деталей, элементов, сборочных единиц (см. гл. 3).
/т
2.7. МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ
Сущность принципа микроминиатюризации. (Миниатюризация РЭС давно стала основным принципом методологии конструирования. На начальном этапе реализации этого принципа использовался термин «миниатюризация», что значит уменьшение размеров и массы.',
\ Проблема миниатюризации стала разрабатываться в конструировании РЭС еще до появления микроэлектроники [1.2]. Внедрение микроэлектроники позволило дать значительное ускорение процессу миниатюризации,, что оправдывает появление нового термина «микроминиатюризация». Принцип миниатюризации основывается на том, что РЭС относится к изделиям информационных систем, назначение которых сводится к передаче, извлечению, преобразованию и накоплению информации, что в принципе может осуществляться при очень небольших энергетических 4 затратах, габаритах и массе (например, мозг, глаз, наследствен- ' ность).
_ На начальных этапах развития РЭС особенности конструкции и технологии, а также трудности, связанные с механической прочностью миниатюрных деталей, приводили к тому, что масса и размеры элементов конструкции, выполняющие полезные функции, составляли ничтожную часть от общих массы и размеров РЭС и их элементов. По оценке [1.2] получающиеся масса и объем превышали потенциально возможный во многие сотни и тысячи раз. Например, в таких элементах, как непроволочные резисторы, 50
пленка, создающая полезный эффект по объему и массе в несколько тысяч раз меньше, чем конструкция в целом (керамический каркас, механически прочные металлические напрессованные выводы, элементы крепления, т. е. винты, гайки, лепестки).
Сборка проводилась с преобладанием ручного труда. Монтажные провода, хотя токи, протекающие по ним часто составляли микроамперы, а действующие напряжения — микровольты, имели диаметр 0,3...0,5 мм. Во избежание замыканий при их перемещении провода покрывались изоляцией, значительно увеличивающей их массу и диаметр. Кроме того, для крепления и пайки проводов применялось много «лепестков» и монтажных изоляционных пленок. Монтаж выполнялся вручную, что приводило к большим затратам труда, ошибкам, браку и трудоемкому их устранению. Электронные лампы сильно перегревались, требовался свободный доступ к ним для их замены, так как они часто отказывали. Элементы РЭС, имевшие неоправданно большую массу, составляли значительную часть РЭС. Для иллюстрации в табл. 2.2 приведены сведения по их применяемости [1.2].
Таблица 2.2. Применяемость элементов
Элементы РЭС %
Соединительные проводники 60
Резисторы 15
Конденсаторы 12
Катушки индуктивности 3
Транзисторы и ЭВП 5
Соединители и коммутаторы 3
Другие элементы 2
Таблица 2.3. Коэффициент увеличении массы носителя
Объект установки
Автомобиль
Самолет Ракета исз
«в
2...3
15...20
100...1000
1000 и более
[__Итак, принципы конструирования, заимствованные из электромеханики, т. е. из проектирования неинформационных технических средств, явно противоречили сущности РЭС, и принцип миниатюризации стал основой конструирования с целью снизить массу, габариты, материалоемкость, трудозатраты, повысить технологичность, качество и надежность. В первую очередь были достигнуты значительные успехи по миниатюризации наиболее часто используемых элементов (табл. 2.2).
Основными путями реализации этого принципа стали:
переход на соединения в виде рисунка из тонкого плоского проводника (пленки) прочно сцепленной с изоляционной платой. При этом происходило систематическое снижение толщины и ширины пленочных проводников, а также промежутков между ними (печатные платы, микросборки, гибкие кабели, трассировка в ИС). С этим связано внедрение производительных групповых технологических процессов, при которых много проводников
51
формировалось не по отдельности, а одновременно в едином процессе. Монтаж становился прочным, вибростойким, приобретал значительно меньшие габариты и массу и большую надежность;
переход от электронных ламп к транзисторам и затем к формированию множества транзисторов в высокопроизводительном едином технологическом процессе с увеличением их количества до 105...10б в одном кристалле (конструктивнотехнологическая интеграция, использование БИС и СБИС) [2.8, 2.9];
/переход на создание резисторов и конденсаторов методами напыления в ГИС; .
расширение использования функциональной (физической) интеграции, основанной на использовании динамических неоднородностей, возникающих в твердом теле в процессе функционирования. К устройствам функциональной электроники относятся: элементы на поверхностных акустических волнах, на приборах с зарядовой связью, на жидких кристаллах, на оптоэлектронных принципах и др. [2.9];
расширение применения микропроцессоров (см. гл. 4).
Достижения микроминиатюризации грандиозны, некоторые данные об этом приведены в гл. 1. Теперь практически все РЭС, кроме мощных передающих и усилительных устройств и некоторых СВЧ устройств, проектируются на основе принципа микроминиатюризации и можно было бы опустить дополнительный термин микроминиатюризация применительно к современным РЭС. Однако к настоящему времени еще не все возможности микроминиатюризации выявлены и реализованы. Ее дальнейшее развитие остается основной задачей при конструировании.
Микроминиатюризация и масса (габариты) РЭС. Снижение массы РЭС имеет большое значение для расширения возможностей удовлетворения информационных потребностей общества. Во многих случаях масса (габариты) РЭС имеет определяющее значение для возможностей его примерения. Особенно критичны требования к массе РЭС при их использовании на самолетах, ракетах, ИСЗ.
Если масса бортовой РЭС превышает определенный уровень, то теряется смысл их установки, так как недопустимо снижается масса полезной нагрузки (пассажиры, научная аппаратура), ради которых создается самолет, ракета, ИСЗ. Конечно, можно повышать мощность носителя, его грузоподъемность и т. п. Но при этом приходится в значительно большей мере увеличить их массу по сравнению с РЭС.
В табл. 2.3 дано изменение &Qoy / Qp3C = Kq для разных носителей, где Д2°у — увеличение массы объекта установки (носителя), необходимое для сохранения его параметров при установке РЭС; 2рэс — масса РЭС; Kq—коэффициент увеличения массы.
52
Очевидна целесообразность уменьшения массы РЭС, тем более, что часто микроминиатюризация приводит к повышению технологичности и снижению стоимости. Однако иногда снижение брэс приводит к возрастанию их стоимости, например при использовании заказных БИС, золоченых контактов, микроминиатюрных ЭРЭ, в которых применены дорогие материалы, а также при уменьшении выхода годных. Нужно иметь в виду, что для бортовых РЭС обычно оправдано уменьшение массы РЭС даже при увеличении затрат. Рассмотрим оптимизацию совокупности затрат на РЭС и носитель в связи с увеличением его массы и стоимости при установке РЭС.
Приращение затрат на носитель при установке РЭС:
ДСоу = аоуЛГр2рЭС, (2.14)
где аоу — коэффициент пропорциональности, показывающий затраты на один килограмм носителя.
Затраты на РЭС получим, полагая, что они увеличиваются при уменьшении массы. Положим, что справедлива обратная пропорциональность. Тогда
Срэс = арэс/2рэс, (2-15)
где арэс — коэффициент, отражающий увеличение затрат на РЭС при их усложнении; а—показатель степени, отражающий скорость изменения затрат на РЭС при изменении 2рэс. Тогда общие затраты АСХ равны:
А С^ цоу K.Q Орэс + Црэс / Q Рэс •
Продифференцировав по 2рэс и приравняв производную нулю, найдем массу РЭС, дающую минимум затрат на носитель и РЭС при установке РЭС:
2РЭс.оПТ = а+1лЖ^70а- (2.16)
Предположим, что комплекс РЭС самолета имеет при первоначальной конструкции массу 300 кг и затраты составляют 105 руб. Тогда при а=1 црэс = Срэс2рэс = 3 ’ 107 руб • кг. Оптимальная масса РЭС в предположении справедливости (2.15) при цоу= 100 руб/кг, KQ =15 составит
2рЭс.оПТ = V3 • Ю7/15 • 100 « 140 кг; Срэс.опт = 2,5 • 105 руб.
Следовательно, для уменьшения суммарных затрат целесообразно переработать конструкцию РЭС, допустив увеличение затрат на изготовление примерно в два раза (например, за счет повышения степени интеграции и использования заказных БИС; введения многослойного печатного монтажа с минимальными толщиной слоев, шириной проводников и расстояниями между ними; применения наиболее компактных соединителей и т. п.).
53
Для ИСЗ, когда KG>100, уменьшение массы РЭС и при значительном увеличении затрат на них оказывается еще более целесообразным. Это оправдывает особое конструирование бортовых РЭС с минимизацией массы также в условиях, когда это приводит к увеличению затрат.
Микроминиатюризация и затраты на изготовление. Микроминиатюризация, осуществляемая путем повышения интеграции, как это неоднократно отмечалось выше, часто приводит к уменьшению стоимости аппаратуры, увеличению надежности и облегчению поиска неисправностей (см. гл. 10) и дает много других преимуществ. Но увеличению степени интеграции свойственны и некоторые противоречия, связанные с уменьшением выхода годных ИС и резким сокращением универсальности ИС, т. е. сокращением количества случаев, когда может быть применена конкретная БИС или СБИС, в то время как ИС с меньшей степенью интеграции являются элементом широкого применения.
В табл. 2.4 приведены данные по изменению параметров ИС в зависимости от степени интеграции Nrp: — стоимость одного транзистора в изготовленных (не обязательно годных) ИС; 21— масса одного транзистора; Ргод — вероятность выхода годных ИС при достигнутой вероятности рг получения при изготовлении неисправного транзистора (цифры приведены для р^Ю-4); Y — универсальность, т. е. возможность применения конкретного типа ИС в разных РЭС. ,
Таблица 2.4. Влияние степени интеграции
Параметр Уровень интеграции для
транзистора мис сис БИС СБИС
1 10 ю2 ю3 ю4 105
е? 1 0,2 0,04 0,008 0,0015 —
с. 1 0,2 0,04 0,008 0,003 —
0,9999 0,999 0,99 0,9 0,37 0,000045
Широкая Слабая Отсутствует
Из-за противоположности влияния Nyp на и Ргоа следует возможность экономической оптимизации степени интеграции.
Сформулируем основные принципы оптимизации для рассматриваемого случая:
Критерий — минимум стоимости транзистора в составе годной ИС с1г.
Средство — изменение степени интеграции Л\р.
Условия — ориентировка на определенные материалы и технологию, что приводит к определенной вероятности наличия плохого транзистора в составе ИС рг (явления корреляции не учитываем). ., .,, ,
54
Метод—составление уровня изменения стоимости с1г одного транзистора в составе годных ИС в зависимости от Атр.
Можно показать, что
Cir = C0/(^pe-^‘), (2.17)
где Со—стоимость изготовления одного транзистора при низкой степени интеграции; а—показатель степени при Атр, показывающий скорость уменьшения стоимости изготовления одного транзистора при увеличении степени интеграции, в первом приближении а=1; е — вероятность выхода годных.
Вычислив dclT)dNTp и приравняв нулю получим
N.p.on.= l/P1. (2.18)
Например, при ^1 = 10-4 NTp.on-l= 104, при р^Ю-3 Утр.Опт = Ю3.
Следовательно, чем лучше отработана технология (уменьшение рг), тем экономически выгоднее повышать степень интеграции. Но остается сокращение применимости, что приводит к необходимости для конкретной РЭС заказывать «свою» БИС и СБИС. Некоторое ослабление этого противоречия дает переход на полузаказные (матричные) БИС и СБИС, а также использование микропроцессоров, что рассмотрено в гл. 4.
Таким образом микроминиатюризация, являющаяся одним из основных принципов конструирования, связана с противоречиями, и конструктор должен вдумчиво решать вопрос о ее рациональном уровне.
2.8. УНИФИКАЦИЯ, ТИПИЗАЦИЯ
И СТАНДАРТИЗАЦИЯ В РЭС
« Развитие стандартизации в РЭС. По мере того как развивалось проектирование и расширялось производство РЭС во все большей степени проявлялась необходимость в унификации, типизации и наиболее высоком их уровне — в стандартизации. Эта тенденция определялась:
стремлением к увеличению количества одинаковых выпускаемых изделий для многих РЭС разного назначения, что, как это показано в [2.4], имеет большое экономическое значение;
значительными организационными, технологическими и экономическими преимуществами специализации предприятий, что реально только при развитии унификации и стандартизации;
возможностями существенного сокращения затрат труда и времени на проектирование;
появлением дополнительных возможностей по улучшению качества и надежности в условиях специализации проектировщиков и технологического оборудования.
55
Особенно остро встала задача развития унификации, типизации и стандартизации примерно в 1950 г., когда началось ускоряющееся увеличение объемов производства РЭС и возросли требования к качеству и стремление к сокращению затрат труда.
В других отраслях промышленности эти проблемы проявились много раньше и уже давно происходил процесс развития унификации, типизации и стандартизации. Заимствуя опыт машиностроения, в проектировании и производстве РЭС постепенно все в большей мере расширяли применение этих методов. В начале был стандартизован крепеж (болты, гайки, заклепки и т. п.), провода, изоляционные материалы и т. п. Затем началась стандартизация электрорадиоэлементов, амортизаторов, электронных ламп и т. п. Это продолжалось с появлением микросхем, у которых размеры подложек, корпусов, расположение выводов были стандартизованы в начале их появления. На раннем этапе РЭС размеры шасси, кожухов, амортизационных рам были вне стандартизации и унификации, что привело к большим затратам на проектирование и, особенно, на подготовку производства. В настоящее время размеры печатных плат, РЭМ1, РЭМ2 и РЭМЗ унифицированы и широко используются базовые несущие конструкции. Казалось бы, что развитие унификации и стандартизации уменьшает творческое содержание труда конструктора. Но это не так. Он создает конструкцию РЭС из комбинации различных стандартизованных частей, разумно и творчески используя их в разных сочетаниях, наборах, комбинациях, добавляя, в случае необходимости, оригинальные детали и сборочные единицы.
Творческая сторона в деятельности конструктора определяется еще тем, что конструкции РЭС быстро развиваются. Непрерывно возникает необходимость создания новых конструкций с ориентировкой на новую элементную базу и новые технологические процессы. Постепенно количество переходит в качество, требуется создание конструкции, не предусмотренной стандартами, которая при удачном решении становится основой нового стандарта.
Стандартизация имеет более широкое значение, чем это имелось в виду выше, когда она рассматривалась применительно к производству. Стандартизация охватывает многие другие стороны жизни общества, например размеры монет (для обеспечения работы автоматов), размеры книг и шрифтов, правила оформления документации, размеры обуви и многое-многое другое. В последующем будем иметь в виду стандартизацию в проектировании и промышленности применительно к РЭС.
Стандарты. По ГОСТ 1.0—68 стандартизация есть установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области. Стандартизация основывается на объединенных достижениях науки, техники, передового опыта.
Стандарт — нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований и утвержденный 56
компетентным органом. Стандарт может быть разработан как на изделия, так и на нормы, правила, требования к ним организационно-методического и общетехнического характера [2.7].
Основные цели стандартизации: ускорение технического прогресса, повышение эффективности общественного производства, производительности инженерного труда и др.
Основные задачи стандартизации;
разработка требований к качеству готовых изделий на основе комплексной стандартизации их характеристик, а также материалов и комплектующих изделий, необходимых для их изготовления с высокими показателями качества и эффективной эксплуатации;
установление требований и методов в области проектирования и производства РЭС с целью обеспечения их оптимального качества и исключения нерационального многообразия видов и типоразмеров;
введение единых систем документации, в том числе унифицированных, используемых в автоматизированных системах управления;
установление единых терминов и обозначений.
Стандарты по ГОСТ 1.0—68 подразделяются на категории; государственные стандарты Союза ССР—индекс ГОСТ; отраслевые стандарты — индекс ОСТ; республиканские стандарты — индекс РСТ; стандарты предприятий—индекс СТП.
Наибольшее применение в конструировании РЭС имеет система стандартов ЕСКД. Подробнее об этом в гл. 13.
Конструктору-технологу приходится иметь дело с сотнями и тысячами различных ГОСТов, отраслевых стандартов и стандартов предприятий. Поэтому большое значение имеют справочники по номенклатуре ГОСТов, которыми нужно уметь пользоваться, и применение АИПС (см. гл. 4).
Стандартизация основывается на унификации и типизации. Унифицированные детали и сборочные единицы могут использоваться во многих изделиях.
Типизация — это способ ликвидации излишнего многообразия изделий путем их обоснованного сведения к ограниченному числу избранных типов (типоразмеров), при котором размеры и параметры изменяются с определенным шагом. При этом создаются параметрические ряды, они стандартизируются в пределах предприятия, отрасли, государства. В последнем случае достигается наибольший экономический и организационный эффект. Стандартизованные параметрические ряды являются наиболее целесообразной формой типизации.
При этом возникает принципиальный вопрос о «шаге» параметрического ряда. Если делать шаг с небольшим изменением параметра или размера, то у конструктора имеется большой выбор и он может более детально и удобно выбирать типоразмер,
57
приспосабливая тестированную деталь (элемент, сборочную единицу) к создаваемой конструкции. При этом получается выигрыш в параметрах создаваемой конструкции, но возникает проигрыш в связи с уменьшением объема производства тестированных деталей (элементов, сборочных единиц) и из-за усложнения организации снабжения, поскольку увеличивается номенклатура. Если увеличивать шаг, то часто использование тестированной детали (элемента, сборочной единицы) будет приводить к заметному ухудшению параметров конструкции.
Например, дискретные непроволочные резисторы по ГОСТ выпускаются в параметрическом ряду с шагом по мощности 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2,5 Вт. По понятным причинам резисторы в этом ряду отличаются по стоимости и размерам. Предположим, что требуется использовать резистор на 1,25 Вт. Если бы в этом ряду были резисторы 1; 1,1; 1,2; 1,3 Вт, то имелась возможность применить резистор с меньшими размерами и массой, и если их много в РЭС, то получить на этом выигрыш по затратам, размерам и массе. Но тогда количество типоразмеров увеличилось бы в несколько раз с соответствующими последствиями.
Аналогичные противоречия возникают и в значительно более сложных случаях, например по мощности генераторных ламп, по размерам антенн, по количеству типоразмеров несущих конструкций. Выбор стандартизированных рядов является сложной задачей и требует проведения исследований.
При исследованиях стремятся оптимизировать параметрический ряд по экономическому критерию. Если определять затраты на весь выпуск изделий ряда, то получим
К к
£ ср.п.п7+ £ Сизг.пр,.А,, 7=1 7=1
где Кр—число типоразмеров в ряду; Nj—выпуск по каждому типоразмеру; Cp.n.n,—затраты на проектирование и подготовку производства по каждому типоразмеру; Сизгпр,— затраты на изготовление и применение в каждом типоразмере; j—номер
р
типоразмера от 1 до Кр; N%= £ Nj—общий объем выпуска. >
о - 7=1
В простейшем случае
Nj = Nl = NL/Kp, Cp nnj. = Cp.n.n.H и
Еизг.пру '= [Сизг.пртах/(^р+1 -М
где Сизгпртах— затраты на изготовление и применение максимального размера.
Полагаем, что затраты на изготовление и применение увеличиваются по мере увеличения у, так как при j=Kp имеется в виду выпуск изделий, наибольших по стоимости, мощности, напряжению, массе и т. п. Если число вариантов в ряду небольшое, то шаг 58
(2.19)
(2.20)
значительный и приходится применять и изготавливать изделия с большей стоимостью и массой, чем это достижимо при большом К„.
Из (2.19) и (2.20) получим: , <
К
C(2Vz) = ^pCp.n.n.H + 2V1 £ Сизг.пртях/(^р+1-7)а ;i; < (2-21)
' 7=1 Р t?
Или в расчете на один экземпляр: :
£ 1/(/Ср+1-у)“ (2.22)
j=i
или
(2.23)
где Ср.,,.,,.,, — затраты на проектирование и подготовку производства, приведенные к одному изделию.
Пользуясь полученным выражением, можно оптимизировать Кр. Кривые оптимизации приведены на рис. 2.2 (для Ср.п.п н = 0,1 И ^- изг.пр max 1> ® 1).
Из кривых следует, что для рассматриваемого примера оптимальным является ЛГР«4. Очевидно, что если иметь в виду автоматизированное производство, относительная величина Ср.п.п.н будет больше. Если N% остается неизменным, то оптимальным оказывается меньшее число вариантов. При увеличении Nz выгодно автоматизировать производство, так как допустимо увеличение Ср.п п.н и можно увеличивать число вариантов в параметрическом ряду.
В ряде случаев требующееся количество типов столь велико, что стандартизация приводит к нерационально большому количеству вариантов, и специализация производства нецелесообразна. Эта проблема возникла применительно к ряду изделий, например некоторые трансформаторы и другие моточные изделия.
Теория и опыт показали, что в этом случае стандартизация также должна быть в основе проектирования и производства, но
заключаться в том, что стандартизуются детали конструкций, изготовление которых требует применения специальных технологических процессов, например ферритовые тороидальные сердечники, стальные сердечники, корпуса и подложки ИС и др.
,В некоторых условиях на специализи-ройанных предприятиях исследуются и отрабатываются типовые технологические процессы изготовления элементов конструкций и оборудование. Эти типо
Рис. 2.2. Оптимизация числа типоразмеров
59
вые процессы можно рассматривать как своеобразные «стандарты». При этом предприятие, нуждающееся в изготовлении соответствующих изделий, использует типовые технологические процессы и оборудование.
Как видно из изложенного, стандартизация в РЭС может принимать разные формы в зависимости от особенностей их конструкций и технологии, а также от входящих в их состав элементов и деталей. Желательно стремиться к тому, чтобы возможно большее количество изделий, входящих в РЭС, проектировались и изготавливались на специализированных предприятиях и соответствовали требованиям ГОСТов и ОСТов.
Ограничения, связанные со стандартизацией. Следует отметить, что стандартизация, помимо указанных выше преимуществ, связана с определенными недостатками и ограничениями, а также с необходимостью решения ряда сложных задач.
Стандартизации присущ некоторый консерватизм. Стандарт обычно предполагает наличие совокупности специализированных предприятий, технологического оборудования, средств контроля и т. п. ив определенных условиях может не способствовать переходу на новые конструкции.
При переходе на выпуск новых конструкций сталкиваются с тем, что большое количество аппаратуры использует стандартные на предшествующем этапе конструкции, например элементы, уже выпущенные и находящиеся в эксплуатации. Ее изъятие может быть экономически неоправданно. Аппаратура может функционировать 20...30 лет после выпуска и требует поступления соответствующих изделий для восстановления и ремонта.
2.9. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ НА КОНСТРУКЦИЮ И ЗНАЧЕНИЕ '
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Частоты сигналов. Частоты излучаемого и принимаемого антенной радиосигнала определяются особенностями распространения радиоволн, как это изложено в [1.5]. Радиосигнал имеет несущую частоту и боковые частоты. Ширина спектра боковых частот определяется спектром сообщения А/м и видом модуляции. Для амплитудной модуляции полная ширина спектра радиосигнала равна 2&fM. Пример спектра при передаче речи амплитудной модуляции приведен на рис. 2.3. Спектр сообщения, например для речи и музыки, составляет 4...10 кГц.
В простейших цифровых системах при передаче со скоростью Vj бит/с длительность радиоимпульса составляет: Ти=1/и/Гц и ширина спектра радиосигнала не менее чем 2/Ти Гц. Несущая частота сигнала циркулирующего только внутри аппаратуры может изменяться гетеродинированием. При этом частота преоб-60
разованного сигнала составляет /пр = /0 +/г, где fr — частота гетеродина. Частота /пр выбирается исходя из ширины спектра сообщения А/м, особенностей схемы, а также конструкции. Полоса частот при этом не изменяется и должно соблюдаться условие /пр»А/м. По этим причинам радиосигналы можно отнести к узкополосным.
Кроме радиосигналов, в аппаратуре циркулируют широкополосные или видеосигналы, отображающие сообщение, спектр которых может охватывать и радиочастоты. Например, в телевидении высшая частота видеоспектра составляет около 5 МГц. Особенно широкий видеоспектр в цифровой аппаратуре с высоким быстродействием, в которой при длительности импульсов в 1 мкс или 0,1 мкс высшие частоты спектра составляют более чем 1 или 10 МГц соответственно.
Рассмотрим зависимость спектра частот от характера импульсных сигналов. Известно, что спектр одиночного прямоугольного импульса описывается выражением
5(®)=ГИТИ
. ®ги / &ти sin- -- ,
2/2
(2.24)
где Си— амплитуда импульса; Тх — его длительность.
Спектр одиночного импульса с длительностью фронта и среза, дается выражением
<о(Ти — Г4) I в)(Тк — Тд,)
S(®) = V„(Г-Гф) sin "2 ф7 / "2 ф7
В частном случае треугольного импульса
. гоТф / гоГф sin-----/-----
2 I 2
равной Тф,
5(<о)=С„0,5Ти
sin
(2.26)
Формы импульсов и спектры приведены на рис. 2.4. На рис. 2.4,в штриховой линией показаны множители выражения (2.25).
Из рис. 2.4 следует, что для реальных импульсов с конечным передним фронтом ширина спектра, в котором сосредоточена основная часть мощности импульса для случая «6» составляет 2/Ти«1/Тф, для случая «в» 3/Ти = (3/4)(1/Тф). Для импульса плавной формы ширина спектра составляет около 0,4/Тф.
Следовательно, для ориентировочных расчетов можно полагать, что ширина спектра импульса, имеющего фронт Тф, составляет приближенно 1/Тф. Это соотношение нарушается для прямоугольного импульса, ширина спектра которого
61
выражается через Ти, а наличие бесконечно короткого фронта проявляется в том, что теоретически ширина спектра много шире, чем 1/Т„. Если использовать ту часть спектра такого импульса, которая сосредоточена до частоты \/Тп, то форма импульса сильно искажается и фронты растягиваются, как это показано штриховой линией на рис. 2.4,г.
Для случаев «б» и «в» использование части спектра, сосредоточенного до 1/7ф, также приводит к искажению формы импульса, но относительно значительно меньшему, чем для прямоугольного импульса. Длительность импульсов и связанная с нею длительность фронтов имеют большое значение при конструировании. В простых цифровых системах импульсы чередуются с паузами (той же длительности). Импульс или пауза несут один бит информации. Для повышения быстродействия цифровых РЭС, т. е. для увеличения количества циркулирующей в единицу времени информации, необходимо сокращать длительность импульсов и пауз между ними. Но тогда при целесообразном соотношении между длительностями фронтов и импульсов спектр расширяется, как это показано на рис. 2.4, возрастают трудности с выполнением соединений (монтажа) и обеспечением требований к допустимым искажениям импульсов и к быстродействию логических элементов. В этой связи понятно, что прямоугольные импульсы с теоретически бесконечно коротким фронтом являются грубой абстракцией, которой следует пользоваться очень осторожно, имея в виду, что реальные импульсы в РЭС имеют конечную длительность фронта.
Закономерности протекания сигналов по элементам конструкции и проводам зависят от соотношения между длиной волны или длительностью импульсов и размерами. Для длин волн, значительно превышающих размеры элементов конструкции РЭС и длины проводников, они могут рассматриваться как имеющие сосредоточенные параметры, т. е. при протекании токов (сигналов), они действуют как индуктивности, емкости или сопротивления. Практически это имеет место при частотах ниже 5... 10 МГц, т. е. при длине волны больше 30...50 м или при продолжительности переднего фронта видеоимпульсов порядка 1...3 мкс.
62
В другом случае, когда длина волны короче, чем размеры элементов и длина проводов, положение изменяется, они должны рассматриваться как имеющие распределенные параметры. Сигналы протекают по проводам и элементам конструкции, испытывая многократные отражения, которые накладываются друг на друга, это приводит к значительным искажениям сигналов и информации. В обычных конструкциях это наблюдается или при длительности фронтов видеоимпульсов менее 0,01...0,1 мкс или при длине несущей волны короче, чем 1...3 м, и частоте 300... 100 МГц. При еще более коротких волнах, когда длина волны значительно короче, чем размеры элементов конструкции и длина проводников, что обычно наблюдается при X короче, чем 3...10 см (частоты выше 3...100 ГГц), конструирование соответствующих частей РЭС в принципе изменяется. Специфика при этом столь значительна, что изучение этих вопросов приводится в отдельной дисциплине «Конструирование СВЧ устройств», где рассматриваются волноводы, объемные резонаторы и т. п.
Геометрические размеры конструкции РЭС и длины соединительных проводников и их соотношение с частотой сигнала. В гл. 6, 7 и 8 будут подробно рассмотрены основные иерархические уровни конструкции РЭС: РЭМ1, РЭМ2 и РЭМЗ. По мере перехода от РЭМ1 и РЭМ2 к РЭМЗ размеры увеличиваются. Следовательно, обязательно будет возрастать длина соединительных проводников и проводов. Это приведет к тому, что отношение размеров РЭС к длине волны будет увеличиваться.
В табл. 2.5 приведены усредненные размеры конструкции для разных иерархических уровней, определяющие длину проводников /лп. При переходе от ИС к РЭМЗ будут уменьшаться частоты /а, для которых можно считать, что длина волны много больше, чем /лп и будет увеличиваться длительность импульсов и их фронтов Тфа, для которых можно считать, что высшая частота спектра меньше /а.
Таблица 2.5. Усредненные размеры конструкции для разных иерархических уровней
Уровни РЭС Aim м МГц Гф„ мкс
ИС 0,05...0,1 500 0,002
РЭМО и РЭМ1 0,2...0,4 100 0,01
РЭМ2 0,6...0,8 30 0,03
РЭМЗ 1,5...2 5...10 0,1
Следовательно, только при /</а и Т$>Т^ можно считать, что для рассматриваемого иерархического уровня /лп много меньше длины волны, и рассматривать проводники и другие элементы конструкции как обладающие сосредоточенными параметрами и размеры выбирать исходя в основном из конструктивных
63
Рис. 2.5. Эквивалентная схема ли- Рис. 2.6. Линия передачи нии (а) и видеоимпульс (б)
соображений (доступность, ремонтопригодность, охлаждение, устойчивость к мехвоздействиям и т. п.). В значительной части конструкции РЭС /лп соизмеримы и больше длины волны, прохождение радиосигналов и высокочастотных токов по проводникам и элементам конструкций, а также прохождение коротких импульсов усложняется, возможны значительные искажения и вопрос должен быть рассмотрен отдельно.
Прохождение сигналов по проводникам при /лп <<:/..
Как показано выше, часто в конструкциях соблюдается условие /лп <<:/.. При малой длине проводника («короткие связи») падающий и отраженный сигналы сливаются в единый, проводник можно рассматривать как цепь с сосредоточенными параметрами и пренебрегать отражениями.
Условия отсутствия отражений для видеоимпульсов можно записать так: задержка в проводнике t3^zT^. Для гармонических колебаний t3<^zT, где Т—период колебаний.
При этом проводник можно рассматривать как цепь с сосредоточенными параметрами, обычно в виде емкости СЛ = СП/ЛП. Эквивалентная схема такой линии дана на рис. 2.5,а.
Следовательно, проводник как бы увеличивает собственную емкость входной цепи получателя сигнала (импульса) и выходной— источника. Это может сопровождаться неравномерным ослаблением высокочастотных составляющих в спектре сигнала или, применительно к видеоимпульсам, приводить к «растягиванию» переднего фронта и среза, что показано на рис. 2.5,6 в виде штриховой линии.
При «коротких связях» соединители, опорные лепестки, изгибы проводников и другие элементы конструкции мало влияют и достаточно учесть те дополнительные сосредоточенные емкости, которые они имеют.
Прохождение сигналов по проводникам при /лп — «длинные связи». В этих условиях проводник необходимо рассматривать как цепь с распределенными параметрами, которая получает сигнал от источника с внутренним сопротивлением Rt и передает его получателю с входным сопротивлением R2. В общем случае сопротивления могут иметь активную и реактивную составляющие и быть нелинейными, но учет этого значительно усложняет анализ. Поэтому будем считать, что 64
R\ и R2— активные сопротивления, например выходное сопротивление каскада (или логического элемента), являющегося источником сигнала, и входное сопротивление каскада (или логического элемента) — получателя сигнала.
Схема для двухпроводной линии приведена на рис. 2.6.
Прохождение сигналов по линии определяется индуктивностью Ln и емкостью Сп (между проводниками) на единицу длины линии. Кроме того, существует активное сопротивление и проводимость (между проводниками). Их влияние на прохождение сигналов много слабее и проявляется в основном в затухании (уменьшении амплитуды) сигнала. Для облегчения понимания основных закономерностей можно ими пренебрегать. Если на вход такой линии подать видеоимпульс или гармоническое колебание, то образуется волна, распространяющаяся со скоростью, близкой к скорости света.
Достаточно сложный анализ, который мы опускаем, показывает, что волна (импульс) испытывает отражение от конца линии, распространяется обратно до ее входа, опять отражается и так до тех пор, пока не затухнет. Показано, что интенсивность отражения от конца линии равна
= V£n/Cn (2.27)
и от начала линии
ОН'? ! V- GlIH’
«1 + z0
где UOK — амплитуда гармонического колебания или импульса ' отраженного от конца линии; UnK — пришедшего к концу линии;
С’пн— пришедшего к началу линии; Uo„ — отраженного от начала линии; Zo — волновое сопротивление, величина которого определя-: ется параметрами линии £п и Сп.
Из выражения (2.27) следует очень важное свойство линий, если Rx=Z(i или R2 = Z(i— отражения от конца или начала линии отсутствуют, при R2 = Z0 в ней устанавливается бегущая волна («бегущий импульс»). При этом действие линии проявляется в том, что гармоническое колебание или импульс претерпевает задержку на время t3 = /лп /vs, где /лп — длина линии; vs — скорость распространения сигнала в аппаратуре, близкая к скорости света, и наблюдается затухание (уменьшение амплитуды), вызываемое потерями энергии в линии. Обычно £п~10нГ/см, Сп = 1 пФ/см, но могут иметь существенно отличающиеся значения, в зависимости от конструкции соединительного проводника. Поэтому Zo принимает разные значения — во многих случаях от 50 до 150 Ом.
Из (2.26) следует, что при Z0<R2 или Z0<R1 отражение происходит без перемены знака импульса или фазы гармониче-3 Зак. 2019 6 5
Рис. 2.7. Неоднородности монтажа:
/—соединитель; 2 — опорный лепесток; 3— изгиб
ского колебания, а при Z0>R2 или Z0>Rl имеет место перемена знака импульса на обратный или поворот фазы гармонического колебания на я.
По мере приближения Rr и R2 к Zo интенсивность отражений уменьшается. Обычно Rr и R2 не равны Zo и приходится принимать специальные меры (включение дополнительных сопротивлений и т. п.).
Важно для конструктора также то, что отражения будут наблюдаться при любых неоднородностях линии, в частности при переходе от печатной платы к проволочным проводникам. Все это существенно влияет на конструкцию и должно учитываться, в частности следует использовать специальные соединители, у которых волновое сопротивление близко к волновому сопротивлению линии. Пример элементов конструкции, приводящих к отражениям, схематически приведен на рис. 2.7.
Влияние отражений в линии на искажения сигналов. Как правило, перед соединительными проводниками не ставится задача преобразований сигнала. Они должны обеспечивать электрическое соединение (связь) между отдельными элементами РЭС, в которых осуществляются заданные преобразования. Поэтому основная задача соединительных проводников (монтажа) состоит в том, чтобы с минимальными искажениями передать сигнал из одной части конструкции в другую.
Искажения сигнала — это изменение его формы и спектра. Они важны не сами по себе, а в той мере, в которой это приводит к искажениям информации, содержащейся в сигналах.
Рассмотрим, какие искажения информации могут быть для импульсных сигналов при несогласованной линии, при наличии интенсивных отражений. Основная причина искажений состоит в том, что многократно отраженные импульсы, накладываясь друг на друга, формируют результирующие импульсы, в которых происходит замена «О» на «1», и наоборот. Покажем это на примере прохождения последовательности информационных видеоимпульсов, у которых для наглядности и простоты примем прямоугольную огибающую.
Возьмем для конкретности случай, когда Z0<zzR2 и Z0^>Rr, т. е. отражения очень интенсивные, и передается сообщение 100011110011 0. Передача единицы соответствует напряжению не менее чем Ur и передача ноля — не более чем Uo. Напряжение, при котором условно происходит переименование 66
Рис. 2.8. Искажение сигналов и информации при отражениях импульсов
сигналов (символов), обозначим Unop. Последовательность импульсов (символов) на выходе источника приведена на рис. 2.8,а; последовательность появившихся у получателя — на рис. 2.8,6. Как видно, первоначально принятая последовательность импульсов дает точное чередование символов, но с задержкой на t3. . Последовательность импульсов, однократно отраженных от получателя и пришедших обратно к источнику, изображена на , рис. 2.8,в, а однократно отраженная от источника и вторично вернувшаяся к получателю последовательность — на рис. 2.8,г. Совместное присутствие у получателя последовательностей (в) и (г) дает результирующую последовательность, которая приведена на рис. 2.8,6. При учете многократных отражений, которые обязательно будут наблюдаться, картина получается более сложной (см. гл. 9).
Из рис. 2.8 наглядно видно, что принятая результирующая последовательность символов даже с учетом только однократного отражения от начала и конца линии будет отличаться от передаваемой и Составит 100010000010, следовательно, с ошибками. В шестом, седьмом, восьмом и двенадцатом символах информация искажается.
Во избежание этого следует согласовать линию. Не обязательно делать это с высокой точностью, достаточно добиться того, чтобы результирующее напряжение на каждом из импульсов не переходило через уровень переименования символов. Опыт показывает, что достаточно, чтобы 0,8Zo</?2< 1,2ZO; аналогично для . .
67
Сравнительно невысокие требования к точности согласования являются важным преимуществом цифровой аппаратуры. Напомним, что отражения проявляются в большей степени при высоких скоростях передачи импульсов, когда /3>0,1Ги или Ги<10/3.
В аналоговой аппаратуре влияние отражений может проявляться более существенно, поэтому требуется более высокая точность согласования. Определяется это тем, что если сигнал имеет широкий спектр частот, то для разных частот спектра имеют место разные условия наложения прямых и отраженных волн, что приводит к разным, относительно большим изменениям в спектре результирующего сигнала и к искажениям сообщения. Если спектр очень узкополосный, т. е. A/M-cO,OI/s0, то условия отражения разных составляющих спектра сигнала изменяются незначительно и искажение сообщений может быть небольшое, но уровень сигнала может изменяться значительно и наблюдается задержка t3 = lnn /vs.
При согласованной линии радиосигнал претерпевает задержку на г3 = /лп /vs, при этом может иметь место некоторое уменьшение его амплитуды (затухание). Это не следует относить к искажениям сигнала, так как обычно такие изменения не сопровождаются искажениями информации. Если не требуется совместное использование разных сигналов или имеющих отличающиеся задержки, то задержка сводится к небольшому запаздыванию в работе РЭС, что в низкоскоростных цифровых РЭС обычно допустимо. В связи с разработкой цифровых микросхем с очень малой инерционностью и появившейся возможностью создания цифровых РЭС с очень высоким быстродействием, что, в частности, очень важно для ЭВМ, задержки сигналов в соединительных проводниках стали важнейшим фактором, ограничивающим повышение быстродействия. Проблема сокращения задержки сигналов приобрела в конструировании РЭС первостепенное значение.
Уменьшение амплитуды импульсов и аналоговых сигналов обычно незначительно и не вызывает искажений в передаче цифровой и аналоговой информации. Если условия такие, что затухание недопустимо, то это следует учитывать, предусматривая дополнительное усиление.
Взаимовлияния между проводниками и элементами РЭС, проблема электромагнитной совместимости. Влияние частоты сигналов на конструкцию имеет еще один важный аспект: взаимовлияние и электромагнитная совместимость. В элементах и проводниках РЭС протекают токи и действуют напряжения, они вызывают электрические, магнитные и электромагнитные поля. Эти поля, охватывая пространство, где расположены другие соединительные проводники и элементы, будут наводить в них токи и напряжения, которые накладываются на действующие в них (других проводах и элементах) сигналы, несущие информацию, вызывая ее искажения. Эти искажения тем интенсивнее, чем ближе расположены проводники и выше частоты. ?1 gl ,
68
Кроме указанных внутриаппаратурных взаимосвязей РЭС в целом и их отдельные части создают внешние поля, которые могут воздействовать на другие РЭС. В свою очередь другие РЭС могут создавать мощные поля (электромагнитные импульсы), воздействующие на данное РЭС. Все эти воздействия становятся более существенными при уменьшении расстояния между источником поля и областью его действия.
Развитие РЭС приводит к тому, что ослабление внутриаппаратурных взаимодействий (внутренняя электромагнитная совместимость) из-за уменьшения габаритов (микроминиатюризация) становится все более и более сложной проблемой, требуя принятия многих сложных конструктивных мер.
Аналогично внешние воздействия (внешняя электромагнитная совместимость) из-за скученности расположения многих РЭС (например, на корабле или на самолете и т. п.) требует принятия сложных конструктивных мер защиты (экранирование и др.). Проблемы внутренней электромагнитной совместимости для радиотехнических и электронно-вычислительных средств имеют существенные отличия. Особенности радиотехнических средств состоят в том, что в них сигналы имеют уровни мощности, отличающиеся в миллионы раз. Например, радиосигналы на входе приемника (поступающие из антенны) и на выходе усилителя промежуточной частоты или маломощные токи и напряжения, действующие в синтезаторе частот передатчика, и мощные сигналы, передаваемые после усиления на выход к антенне. Экранирование и возможное пространственное разнесение, которые выполняют конструктора, широко применяются, но дают ограниченные возможности в решении проблемы ЭМС. На практике за счет гетеродинирования получают и используют внутри РЭС сигналы на разных несущих частотах. Эту задачу решают схемотехники.
Особенности электронно-вычислительных средств и цифровых блоков радиотехнических средств состоят в том, что в них, как правило, из-за требований к быстродействию применяются широкополосные видеосигналы (часто видеоимпульсы с длительностью доли наносекунды). Причем обычно в разных цепях они имеют малоотличающиеся мощности, поскольку импульсные напряжения и токи определяются уровнями, которые требуются для срабатывания логических элементов. Следовательно, множество проводников, значительное взаимное удаление которых затруднительно из-за требований миниатюризации, создает поля с аналогичными частотными характеристиками. Эти поля наводят в других проводниках одновременно большое количество сравнительно маломощных помех, находящихся в той же полосе частот, что у протекающих по ним полезных сигналов. В результате формируются случайные потоки сравнительно маломощных импульсов, которые в случайные моменты времени вызывают
69
ложные срабатывания логических элементов (перемежающиеся отказы) и могут полностью нарушить работу.
Для ослабления таких помех конструктор должен четко понимать, между какими проводниками особенно опасно взаимовлияние, и заботиться о возможном их удалении друг от друга и таком расположении, чтобы они не шли параллельно друг другу. В ответственных случаях необходимо применять экранированные проводники, размещать между печатными проводниками разделяющие заземленные проводники, продуманно располагать и присоединять к общему корпусу заземление, предусматривать фильтры в цепях электропитания и т. п.
Трудность ослабления взаимовлияния определяется тем, что емкость и взаимоиндукция между проводниками сравнительно медленно уменьшаются при их разнесении. Известно, что емкость в пФ на см и взаимоиндукция в нГ на см между двумя проводниками приближенно равны: Спм = 0,3/(1п 2h!d)
и Мп=2 (In 200/h), где h—расстояние между проводниками, d—ширина (диаметр) проводника в см. Благодаря тому, что влияние Спм и М„ выражается через In, оно с увеличением h уменьшается медленно. Например, уменьшается всего в 2...3 раза при увеличении h в десять раз.
Особенно существенно оказывается взаимовлияние при увеличении частот, так как напряжение, наведенное в проводнике за счет взаимоиндукции, пропорционально со, а модуль сопротивления емкостной связи равен 1/соСпм. Поэтому особенно сложным является уменьшение взаимовлияний (помех) при повышении быстродействия. Причем сложность анализа усугубляется тем, что в связи с увеличением «наводок» при росте частоты и широким спектром импульсов, наведенные помехи являются результатом дифференцирования основных импульсов и имеют сильно искаженную форму. Эти вопросы рассмотрены в гл. 9.
2.10. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ, РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ИНТУИТИВНО-ЭВРИСТИЧЕСКИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ
И ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭС
Экспериментальные методы. Эксперимент является естественным методом исследований и проектирования. Его преимущество состоит в том, что в натуральных условиях воспроизводятся проектируемое изделие или его части и проводятся испытания. Опытный макет (образец) изготавливается по эскизам, которые создает конструктор на основе предварительных расчетов и своих представлений о конструкции. 70
Для сложных конструкций этот процесс часто повторяется несколько раз, после чего принимается проектное решение и создается чертеж. Преимущество такого метода состоит в том, что не требуется предварительного выявления аналитических закономерностей и расчетных формул, которые всегда связаны с упрощениями и допущениями, снижающими точность. Это важно в условиях, когда создается конструкция на основе новых, еще недостаточно изученных принципов.
Недостатки такого метода связаны с тем, что на создание эскизов, изготовление и испытания затрачивается много времени и средств. Этот недостаток обостряется по мере увеличения сложности конструкции РЭС, вместе с тем усложнение конструкции затрудняет ее расчетное проектирование и может потребовать эксперимента. Кроме того, изготовление одного-двух макетов (опытных образцов) никогда не дает уверенности в том, что в производстве и эксплуатации из-за отклонений в материалах, инструменте, технологических процессах подтвердятся полученные при проектировании результаты.
Расчетно-аналитические методы. В ряде случаев могут быть получены или известны функциональные зависимости (расчетные формулы), связывающие выходной параметр а, который надлежит определить и первичные (входные) параметры а;.
Расчет должен обязательно выявить влияние допусков и отклонений. К этой категории можно отнести также расчетно-графические и топологические методы, применяемые при компоновке РЭС, размещении элементов и трассировке печатных плат. Применяя аппликации или выполняя эскизы, можно опробовать много вариантов и выбрать наиболее подходящий.
По затратам труда и времени расчетный метод, особенно при выполнении расчетов на ЭВМ, дает значительные преимущества перед экспериментальным. Ему присущи два недостатка: невозможность в некоторых случаях получения расчетных выражений и ограниченная их точность, поскольку всегда вывод расчетных формул связан с приближениями и допущениями.
Вычислительные (числовые) методы. По мере оснащения конструкторских подразделений ЭВМ и накопления опыта численные методы становятся основными в конструировании. Подробнее их особенности и применение будут рассмотрены в гл. 4.
Интувтнвно-эврнстнческие методы играют решающую роль в конструировании [1-3].
Интуиция есть неосознанная, осуществляемая на подсознательном уровне обработка информации, возникающая на материале предшествующего опыта, анализа, размышлений. Интуиция зависит от врожденных способностей и может быть развита путем совершенствования памяти, наблюдательности, умения формулировать выводы без предвзятости и принимать другие точки зрения, видеть воображаемый образ, ясно излагать мысль, проявлять устойчивость к неудачам и увлеченность. Интуиции в значительной мере содействует эрудиция или интеллектуальный потенциал конструктора.
Для подобных процессов мозговой творческой деятельности используется также термин эвристика. Она основывается на способности соответствующим образом подготовленного исполнителя обдумывать, выбирать и принимать решения в сложных многокритериальных ситуациях при неполной априорной информации.
Эвристические способности человека очень важны в науке и конструировании. По мере накопления опыта конструирования, изучения конструкций разных РЭС, например на выставках, в публикациях, конференциях, анализа результатов
71
освоения в производстве и эксплуатации, собственных ошибок и удачных решений, у конструктора формируется интуиция и способность к эвристическим решениям, позволяющим принимать ценные проектные компромиссные решения в сложных условиях, при многих противоречивых факторах, отсутствии многих данных и сведений.
Интуитивно-эвристические методы - - обязательный элемент при применении всех других. Ставя эксперимент, конструктор должен предварительно осмыслить его цель и условия проведения, истолковать результаты, оценивая их сущность и наличие противоречий. При аналитических расчетах следует тщательно продумать правомерность применения определенной формулы и убедиться, что результаты расчетов соответствуют пониманию закономерностей.
Особенно внимательного интуитивно-эвристического анализа требует применение численных методов и их результатов, поскольку расчет ведется по алгоритмам, которые обычно не поддаются физическому истолкованию. Могут встретиться случаи, когда за счет ошибок в программе или ее ввода результаты вычислений дают искаженную картину, и это должно быть выявлено на основе их осмысления. Из изложенного следует, что при конструировании нужно гибко применять разные методы. Опыт показывает, что при конструировании конкретного РЭС обычно целесообразно для разных задач, которые при этом возникают, применять все методы.
Важной особенностью конструкторского проектирования является то, что, как правило, конструкция, удовлетворяющая требованиям технического задания, может быть выполнена в нескольких вариантах. При этом задача сводится к выбору наилучшего по комплексу показателей.
t
2.11. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ , КОНСТРУИРОВАНИЕ
Исходя из вышеизложенного необходимо выявить возникающие при конструировании РЭС практические задачи и определить последовательность их изложения. Практическое конструирование основывается на техническом задании (ТЗ), формирование которого (совместно с заказчиком) является важным исходным этапом проектирования. При формировании следует исходить из изложенного в гл. 1 и руководствоваться основными принципами конструирования, которые приведены в настоящей главе и определяют совокупность вопросов, подлежащих отражению в ТЗ, а также основные идеи их решения при конструировании, а в гл. 3 рассмотрены конкретные вопросы состава и содержания технического задания и технических условий.
После согласования ТЗ работа конструктора РЭС направлена на исследования и принятие конструкторских решений, которые также основываются на методологии и затем на создании конструкторской документации, по которой ведется изготовление и эксплуатация. Одна из основных проблем, возникающих при этом, состоит в обеспечении высокой эффективности, чему содействует широкое, многогранное и расширяющееся применение
72
вычислительной техники для проектирования, производства и эксплуатации (см. гл. 4).
После изложения вопросов, относящихся к конструированию РЭС в целом, необходимо рассмотреть основные специфические и практические вопросы конструирования подсистем РЭС. Наиболее целесообразно выполнить это, изложив в последующих главах такие поставленные в настоящей главе вопросы, как РЭС в составе системы «человек-машина» (гл. 5), принципы разукрупнения РЭС (гл. 6), конструирование РЭМ всех уровней и электрических соединений (гл. 7, 8 и 9). Это подготовит к тому, чтобы на новом уровне вернуться к конструкции РЭС в целом и рассмотреть надежность (гл. 10), защиту от внешних воздействий (гл. 11) и особенности РЭС различного назначения (гл. 12), после чего полезно обратиться к организации конструирования и особенностей конструкторской документации (гл. 13).
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Сформулируйте понятия «наука» и «методология».
2. Укажите основные принципы, составляющие методологию конструирования РЭС.
3. Разверните основные проблемы системного метода и его философского обоснования.
4. Изложите сущность иерархического принципа построения РЭС.
5. Какие требования выдвигает перед конструктором задача повышения экономической эффективности РЭС?
6. В чем причины и смысл использования при конструировании РЭС вероятностных методов?
7. По каким причинам микроминиатюризация является одним из основных принципов конструирования РЭС?
8. Почему частота сигналов и мощность токов влияют на конструкцию РЭС? 9. Разверните понятия: унификация, типизация, стандартизация.
10. Поясните принципы формирования ряда стандартных конструкций.
Глава 3. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ
И ОЦЕНКА ЕЕ УРОВНЯ И КАЧЕСТВА
3.1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПОСТАНОВКУ ПРОДУКЦИИ НА ПРОИЗВОДСТВО
Общие положения, порядок разработки, согласования и утверждения
ТЗ. Техническое задание является основным исходным документом на проектирование РЭС и разработку технической документации, которое устанавливает назначение, основные показатели
73
качества изделия, технико-экономические и другие требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, объему выпуска и стадиям разработки. Его разрабатывает проектировщик РЭС (за исключением отдельных случаев) и согласовывает с заказчиком.
Функции заказчика выполняют министерства и ведомства, предприятия и организации на основе исходных требований заказчика— заявки, аванпроекта, а также на основе результатов выполненных научно-исследовательских и экспериментальных работ, научного прогнозирования, стандартов общих технических требований на группу однородной продукции, анализа передовых достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники и др.
Техническое задание оказывает большое влияние на дальнейший процесс проектирования. Сугубо общие требования и расплывчатые формулировки приводят к недоразумениям, спорам и частым изменениям его содержания. Наоборот, чрезвычайно детальные и мелочные указания сковывают творчество проектировщиков и не позволяют достичь требуемого технического уровня изделия. Четко сформулированные основные задачи, обоснованные требования и ограничения всегда положительно влияют на результаты проектирования РЭС. Разработка ТЗ является сложной работой, требующей высокой квалификации, эрудиции и опыта от проектировщиков и заказчика.
Общий порядок разработки, согласования и утверждения, а также состав ТЗ установлен в ГОСТ 15.000—82 и ГОСТ 15.001—73.
Порядок построения и изложения ТЗ. Оно, как правило, включает в себя следующие разделы: наименование и область применения (использования); основание для проектирования*; цель и назначение проектирования; источники проектирования; технические требования; экономические показатели; стадии и этапы проектирования; порядок контроля и приемки; приложения.
В разделе «Наименование и область применения (использования)» указывают наименование и краткую характеристику области применения изделия (использования, эксплуатации).
В разделе «Основание для проектирования» приводят полное наименование документа (документов), на основании которого проектируют изделие, организацию, утвердившую этот документ, наименование и (или) условное обозначение темы.
В разделе «Цели и назначение проектирования» указывают цель проектирования, назначение проекта (создание базового образца, модификации и т. д.) и задачи, решаемые проектированием.
В разделе «Источники проектирования» приводят перечень основных документов по результатам ранее проведенных работ, которые необходимо использовать при проектировании.
В разделе «Технические требования» излагают требования и нормы, определяющие показатели качества и эксплуатационные
* В ГОСТ 15.001—73 использован термин «разработка» вместо «проектирование», что является обязательным согласно ГОСТ 22487—77.
74
(потребительские) характеристики изделия с учетом действующих стандартов и норм, а также современного технического уровня. Технические требования, занимающие определяющее место в ТЗ, более подробно изложены в § 3.2.
В разделе «Экономические показатели» в общем случае указывают ориентировочную эффективность и срок окупаемости затрат на проектирование и освоение производства, цену, предполагаемую годовую потребность в продукции, а также экономические преимущества разрабатываемой продукции по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными образцами и аналогами.
В разделе «Стадии и этапы проектирования» устанавливают необходимые стадии проектирования и этапы работ по ГОСТ 2.103—68. Поэтапные сроки, указываемые в ТЗ, являются ориентировочными. Основными сроками выполнения работ считают сроки, установленные в плане опытно-конструкторских работ и (или) договоре. В этом же разделе устанавливают необходимость разработки стандарта (пересмотра действующих стандартов) или подготовки предложений по разработке стандартов на создаваемую (модернизируемую) продукцию, а также указывают необходимость проведения патентных исследований.
Все возможные стадии проектирования и этапы работ изложены в гл. 13.
В разделе «Порядок контроля и приемки» приводят перечень документов, подлежащих согласованию и утверждению на отдельных стадиях проектирования, перечень организаций, с которыми следует согласовать документы, общие требования к приемке работы на стадиях (этапах) проектирования (количество изготавливаемых опытных образцов продукции, а также приемочные испытания, сроки и т. п.).
В приложениях ТЗ приводят таблицу сравнения разрабатываемой продукции с лучшими отечественными и зарубежными образцами, копию заявки заказчика, перечень научно-исследовательских и других работ, обосновывающих необходимость проведения проектирования, и другие документы, которые должны быть использованы при проектировании.
В зависимости от вида, назначения, условий производства и эксплуатации продукции допускается уточнять содержание разделов, вводить новые или объединять отдельные из них.
Техническое задание оформляют в соответствии с общими требованиями к текстовым конструкторским документам по ГОСТ 2.105 79.
3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ь
9
Состав технических требований (ТТ). Раздел ТТ состоит из следующих подразделов, отражающих соответствующие требования, предъявляемые к изделию: состав продукции и требования
75
к конструкции, показатели назначения и экономного использования сырья, материалов, топлива и энергии; требования к надежности; требования к технологичности и метрологическому обеспечению (при необходимости); требования к уровню унификации и стандартизации; требования безопасности и требования по охране природы; эстетические и эргономические требования; требования к патентной чистоте; требования к составным частям продукции, сырью, исходным и эксплуатационным материалам; условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту; дополнительные требования; требования к маркировке и упаковке; требования к транспортированию и хранению; требования к категории качества.
Состав продукции и требования к конструкции. Здесь указываются наименования, количество и назначение основных составных частей, а также следующие требования: конструктивные; монтажной пригодности; к средствам защиты от влаги, вибрации, шума, вредных испарений и др.; к взаимозаменяемости продукции и ее составным частям, устойчивости к моющим средствам, маслам и др.; к помехозащищенности и исключению помех, влияющих на другую продукцию; к виду и составу запасных частей.
Конструктивные требования выражаются в ограничении массы изделий и габаритных размеров с указанием установочных и присоединительных размеров, способов крепления изделия, видов покрытий и др.
Габаритными размерами является наибольшая длина, ширина и высота изделия. Учитываются крайние положения перемещающихся частей. Установочные и присоединительные размеры определяются установлением координат расположения и размеров предельных отклонений элементов, служащих для соединения с сопрягаемыми изделиями.
Электромагнитная совместимость характеризует устойчивость параметров и надежность функционирования изделия при наличии внешнего электромагнитного поля. Внутренней электромагнитной совместимостью называется способность изделия функционировать с учетом наличия электромагнитного поля, вызванного работой самого РЭС внутри аппарата.
В ТЗ оговаривается недопустимость явлений (паразитных), искажающих сигналы свыше допустимых норм.
Показатели назначения и экономного использования сырья, материалов, топлива и энергии. Устанавливаются основные технические параметры изделий, определяющие ее техническое совершенство по уровню или степени потребляемого сырья, материалов, топлива и энергии при эксплуатации. Такими параметрами являются мощность РЭС, чувствительность, диапазон частот, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия и др.
Требования к надежности. В общем случае указываются требования к долговечности, безотказности, сохраняемости и ре
76
монтопригодности. Требования к надежности регламентируются в соответствующих стандартах.
Основные понятия, термины и определения по надежности, а также требования к конструкции и показатели надежности РЭС, изложены в гл. 10.
Требования к технологичности и метрологическому обеспечению. В соответствии со стандартами ЕСТПП приводят требования к технологичности конструкции, а также (при необходимости) основные контролируемые параметры, исходные ' требования к методам и средствам измерений, квалификации персонала и др.
Количественная характеристика технологичности называется показателем технологичности конструкции (ПТК) изделия.
Показатель, принятый за исходный при оценке технологичности, называется базовым ПТК изделия.
Частный ПТК изделия характеризует одно из входящих в ее состав, а комплексный — несколько входящих в нее частных или комплексных свойств.
Функция подготовки производства, включающая комплекс взаимосвязанных мероприятий по управлению технологичностью и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте изделий, называется обеспечением технологичности конструкции изделия. Отработка конструкции изделия на технологичность является частью работ по обеспечению технологичности, направлена на достижение заданного уровня технологичности и выполняется на всех этапах разработки изделия (см. гл. 13).
На рис. 3.1 приведены виды технологичности, главные факторы, определяющие требования к технологичности конструкции изделия, и виды оценки.
Главным фактором, определяющим требования к технологичности, является вид изделия, объем выпуска и тип производства. Вид изделия определяет главные конструктивные и технологические признаки, обуславливающие основные требования к технологичности конструкции, а объем выпуска и тип производства
Рис. 3.1. Виды технологичности
77
определяют степень технологического оснащения, механизации и автоматизации технологических процессов.
Оценка технологичности конструкции изделия может быть качественной и количественной. Качественная оценка характеризует технологичность конструкции обобщенно на основании опыта конструктора и необходима на всех стадиях проектирования, когда осуществляется выбор лучшего конструктивного решения и не требуется определения степени различия технологичности сравниваемых вариантов.
Для количественной оценки технологичности разрабатываемой конструкции предназначены соответствующие показатели. Выбор показателей технологичности производится с учетом требований ГОСТ 14.201—73, ГОСТ 14.202—73.
Для сопоставления нескольких показателей, имеющих различную размерность, необходимо нормировать их значения в пределах Это достигается
введением нормирующей функции у. Тогда
kj = y(Xj, x,3T),j=l, 2, ..., т, (3.1)
где kj — нормированное значение j-ro показателя; Xj — количественное значение j-ro показателя качества изделия; Xj.„— эталонное значение (база сравнения).
Так,
xilxi3T> если j-й параметр улучшается при увеличении его
, численного значения;
kj=< /
Х]эт/ xj, если j-и параметр ухудшается при увеличении его численного значения.
В случаях, когда уменьшению Xj соответствует улучшение качества:
kj 1 xjl х)->т При XjCXj37.
В зависимости от структуры параметров, кроме приведенных, используются еще и другие нормирующие функции.
Комплексный показатель качества можно представить в виде
X tyjkj, (3.2)
7=1
OsSfc.sSl,
где <р7— коэффициент веса j-ro показателя; т — количество сравниваемых показателей.
Весовые коэффициенты характеризуют соотношения между частными показателями по их вкладу в общую оценку качества изделий. С учетом (3.2) они должны удовлетворять следующим требованиям:
т
Ф;>0; £ф;=Г (3.3)
7=1
Значения коэффициентов веса могут устанавливаться соответствующими нормативно-техническими документами (директивные коэффициенты веса) или определяться различными методами (статистическими, экспертными и др.).
В качестве примеров рассмотрим коэффициент прогрессивности формообразования деталей и коэффициент повторяемости деталей и монтажных единиц.
78
Коэффициент прогрессивности формообразования деталей
£ф = Дпр/Д, (3.4)
где Дпр — количество деталей, шт., заготовки которых или сами детали получены прогрессивными методами формообразования (обработки давлением, прессованием, порошковой металлургии и др.); Д — общее количество деталей (без стандартизованного крепежа), шт.
Коэффициент повторяемости деталей и монтажных единиц
где Дт — общее количество типоразмеров деталей в изделии, шт.; Ет — общее количество типоразмеров монтажных единиц в изделии, шт.; Е — общее количество монтажных единиц в изделии, шт.; Д — общее количество деталей в изделии, шт.
По номенклатуре базовых показателей технологичности конструкций все блоки в стандарте ОСТ 4 ГО.091.021 разбиты на 4 класса: радиотехнические; электронные; электромеханические, механические; соединительные, коммутационные, распределительные. В пределах каждого класса изделий выбраны не более 7 показателей, которые оказывают наибольшее влияние на технологичность конструкции.
Нормативы комплексных показателей технологичности некоторых изделий приведены в ОСТ 4 ГО.091.219 и устанавливаются для стадий разработки рабочей документации.
Оценка технологичности конструкций изделия может потребовать больших затрат труда и времени (число показателей технологичности более 80). Количественная оценка технологичности конструкции рациональна только в зависимости от признаков, которые существенно влияют на качество рассматриваемой конструкции. Поэтому состав частных показателей для различных конструкций и условий производства различен и выбранный состав показателей должен быть обоснован. Обобщение частных показателей технологичности конструкции является важным методическим принципом для комплексной оценки качества конструкции РЭС.
Показатели технологичности по своему составу могут характеризовать технологию изготовления или конструктивные особенности изделия. Непосредственно от конструкции зависят такие показатели, как коэффициент унификации и стандартизации, сложности сборки, повторяемости ЭРЭ, применяемости интегральных схем и полупроводниковых приборов и др. Некоторые показатели зависят как от конструкции, так и от технологии. Например, рациональная форма детали и выбор материала являются прерогативой конструктора, а ориентация раскроя и способ штамповки — задачами технолога. Следует подчеркнуть, что конфигурация и материал деталей существенно влияют на ТеХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ. •!
79
Конструкция сборочной единицы должна удовлетворять требованиям изготовления, эксплуатации и ремонта наиболее производительными и экономичными способами при заданных условиях производства, что достигается расчленением сборочной единицы на рациональное число составных частей с учетом агрегатирования, унификации и стандартизации. Конструкция сборочной единицы должна позволять сборку при неизменном базировании составных частей и предусматривать возможность использования конструктивных баз в качестве технологических. Конструкция сборочной единицы должна обеспечить удобный доступ к местам контроля, регулировки и настройки. Места соединения составных частей должны быть доступны для механизации сборочных работ, а конструкция соединений не должна требовать дополнительной механической обработки. Точность расположения составных частей и метод сборки должны быть обоснованы типом производства, объемом выпуска и расчетом размерных цепей, проводимым вероятностным методом, кроме коротких (с числом звеньев менее пяти), с высокой точностью замыкающего звена, когда оправдан метод максимума-минимума. Рекомендуется следующий порядок сборки по убывающей производительности труда сборочных работ: с полной взаимозаменяемостью; с неполной взаимозаменяемостью; с групповой взаимозаменяемостью; с регулировкой компенсаторами; с пригонкой.
В конструкции сборочной единицы должны предусматриваться устройства, например центрирующие, фиксирующие и другие, обеспечивающие точность расположения составных частей.
Конструкция детали должна обеспечить использование стандартных и унифицированных элементов (посадок, резьб, шлицев, радиусов сопряжения поверхностей и т. д.). Разнотипность форм обрабатываемых поверхностей в одной детали вызывает увеличение требуемых операций, переходов и оборудования для обработки. Требуемая точность параметров должна обеспечиваться правильной простановкой размеров и рациональным выбором конструктивных баз. Размеры и поверхности детали должны иметь экономически и конструктивно обоснованные соответственно точность и шероховатость. Следует помнить, что увеличение точности и уменьшение шероховатости (повышение квалитета) всегда приводят к значительным затратам, но далеко не всегда повышают качество. Конструкция детали должна обеспечивать возможность применения типовых и стандартных технологических процессов при ее изготовлении.
Свойства выбранного материала должны соответствовать требованиям технологии изготовления, хранения и транспортирования. Выбор рационального типа заготовки и ее конфигурации допускает возможность использования в конструкции детали с необработанными поверхностями или минимальными припусками на обработку.
80
Технологичность рассматривается как совокупность свойств конструкции изделия, характеризующих один из его показателей качества. Поэтому недопустимо, с целью повышения технологичности, снижение других технических характеристик, обуславливающих соответствие требованиям функционирования изделия (показателей назначения, эргономических, эстетических и др.).
Требования к уровню унификации и стандартизации. Эффективность производства РЭС немыслима без широкой стандартизации и унификации. Снижение трудоемкости изготовления изделия зависит от многих факторов, однако одним из главных является уровень стандартизации и унификации. Использование стандартизированных и унифицированных конструкций позволяет также ускорить и упростить процесс проектирования.
Стандартизация основывается на достижениях науки, техники и народного хозяйства и создает предпосылки для централизованного производства составных частей изделия. Благодаря массовому или крупносерийному производству на специализированных предприятиях стоимость продукции будет значительно меньше, чем на неспециализированных. Использование в конструкции РЭС стандартных составных частей решает проблему взаимозаменяемости, существенно облегчает техническое обслуживание и ремонт.
Унификация как и стандартизация ограничивает множество видов изделий, их составных частей и требований и приводит к единым нормам. Унификация является начальной ступенью стандарт из ации.
Унификация может быть проведена на всех уровнях РЭС. Наименее сложной задачей является унификация, когда в РЭС различного назначения используется одна и та же элементная база, и, наоборот, наиболее полная унификация достигается при создании единой радиоэлектронной системы для ряда применений и объектов установки.
При унификации деталей конструкции устанавливаются применяемые посадки, классы точности, шероховатость поверхности, резьбы, шлицы, шпонки, модули зубьев, диаметры отверстий, фаски, радиусы и т. д.
Поиск направлений унификации ведется на основе сравнения вариантов по полученному эффекту и затраченным средствам. Достигнутые варианты унифицированных конструкций должны удовлетворять всем требованиям функционально и геометрически более сложных устройств.
Достигнутый уровень унификации и стандартизации оценивается коэффициентами унификации сборочных единиц, деталей, ' стандартизации изделия, сборочных единиц и деталей.
Коэффициент унификации сборочных единиц
/гуе = Еуи/Еи, .
81
где Еуи — количество унифицированных сборочных единиц в изделии; Ем— количество сборочных единиц в изделии.
Коэффициент унификации деталей
^.д = Ду.„/Ди,
где Дуи — количество унифицированных деталей, являющихся составными частями изделия и не вошедших в Еу и; Ди — количество деталей, являющихся составными частями изделия (стандартные крепежные детали не учитываются).
Коэффициент стандартизации изделия
к„.„ = (Е„.И + Дст.и)/(ЕН+Да),
где Ест я—количество стандартных сборочных единиц в изделии; Дст.и — число стандартных деталей, являющихся составными частями изделия и не входящих в Ест и.
Коэффициент стандартизации сборочных единиц 4
к — I /F Е
^ст.е г^ст.и/л-'и*
Коэффициент стандартизации деталей
к ст.а Д ст. и/Ди*
Требования безопасности и требования по охране природы. К этому подразделу относятся требования по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте, охраны природы при производстве, эксплуатации (использовании, транспортировании, хранении) и утилизации продукции. РЭС должны быть сконструированы и изготовлены таким образом, чтобы при нормальной эксплуатации обеспечивалась надежная их работа и не создавалась опасность для оператора (потребителя) даже в случае небрежного обращения с изделием. Должен гарантироваться безопасный труд при отсутствии вредных и опасных факторов (ГОСТ 12.003—74) как во время эксплуатации, так и при ремонте.
Требования безопасности установлены системой стандарта безопасности труда и другими нормативными и законодательными актами.
Во время эксплуатации конструкций РЭС должна быть обеспечена защита оператора (потребителя) от поражения электрическим током, воздействия высоких температур, рентгеновского и ВЧ излучения, последствий взрыва кинескопа и механической неустойчивости прибора и защита от огня.
Основным фактором безопасности при эксплуатации РЭС является уровень напряжения в доступных человеку частях. Доступной частью или поверхностью является часть или поверхность прибора, до которой можно дотронуться с помощью специального инструмента — стандартного испытательного пальца (по ГОСТ 14254—80). По принципу защищенности от поражения электрическим током, приборы делятся на два класса (см. табл. 3.1). 82
Таблица 3.1. Классы приборов по принципу защищенности от поражения электрическим током
Класс прибора Определение
I Прибор, защита которого от поражения электрическим током не ограничена только основной изоляцией, а включает дополнительные меры безопасности, предусматривающие подключение доступных токопроводящих частей к защитному проводу заземления, предусмотренному конструкцией прибора. Такое подключение должно исключать возможность нахождения доступных токопроводящих частей под опасным напряжением в случае пробоя основной
II ИЗОЛЯЦИИ Прибор, защита которого от поражения электрическим током не ограничивается только основной изоляцией, а включает дополнительные меры безопасности, например использование двойной изоляции
Основной называется изоляция частей, находящихся под опасным напряжением, обеспечивающая основную защиту от поражения электрическим током, двойной—изоляция, включающая как основную, так и дополнительную изоляции, дополнительной—автономная изоляция, дополняющая основную защиту, служащая целям защиты от поражения электрическим током в случае пробоя основной изоляции.
Единая система изоляции частей, находящихся под опасным напряжением, обеспечивающая степень защиты от поражения электрическим током, эквивалентную двойной изоляции, называется усиленной изоляцией.
Во всех случаях под опасным напряжением, даже в том случае, если оно является недоступным, не должны находиться клеммы для подключения антенн и заземления, любые клеммы приборов, предусмотренные для подключения преобразователей входных и выходных сигналов, клеммы антенных усилителей и другие контактные устройства (кроме контактных устройств, предназначенных для подключения прибора к источнику вторичного электропитания).
Все оси ручек управления, находящихся под опасным напряжением, должны быть хорошо защищены. Изоляция деталей, находящихся под опасным напряжением, не должна быть изготовлена из гигроскопических материалов и должна выдерживать перенапряжение, обусловленное переходными процессами.
При нормальной эксплуатации ни одна из частей прибора не должна нагреваться до опасной температуры. Когда прибор неисправен и включен, то ни одна его часть не должна нагреваться до такой температуры, а воспламеняющиеся газы не должны выделяться в таком количестве, чтобы появилась опасность возникновения пожара вблизи прибора. Допустимые превышения температуры не должны быть выше значений, указанных в ГОСТ 12.2.006—83. Конструкция прибора должна обеспечить защиту людей от ионизирующего излучения. Мощность дозы излучения не должна превышать 100 мкР/ч.
83
Винтовые соединения, обеспечивающие электрический контакт и фиксирующие винты, которые при эксплуатации прибора несколько раз отвертываются и завинчиваются, должны обладать требуемой прочностью. Винты, прижимающие контакты, и винты диаметром менее 3 мм, являющиеся частью упомянутых выше фиксирующих приспособлений, должны ввинчиваться в металлическую гайку или металлическую вставку.
Кинескоп телевизионного приемника с диагональю экрана более 16 см должен быть взрывобезопасным без дополнительной защиты. Взрывоопасный кинескоп должен быть снабжен эффективным экраном, который не может быть снят вручную.
Прибор, предназначенный для работы на полу и имеющий массу более 20 кг, должен обладать достаточной механической устойчивостью. Например, прибор, помещенный на плоскость, наклоненную под углом 10 к горизонтали и медленно вращающуюся вокруг вертикальной оси, не должен выходить из положения равновесия.
При эксплуатации РЭС должна быть обеспечена защита от опасных электромагнитных излучений.
Оценка выполнения требований безопасности проводится путем проведения экспериментов, осмотром образцов изделий и проверкой конструкторской документации. Определяются пути утечки и зазоры между доступными деталями, напряжения, приложенные к основной изоляции (с помощью короткого замыкания дополнительной изоляции), состояние изоляции и контактных устройств, состояние механических и электрических соединений, механическая устойчивость, рентгеновское излучение, нагрев при нормальных условиях работы и при неисправностях прибора, выполнение требований к маркировке и др.
Путем утечки называется кратчайшее расстояние между токопроводящими частями, измеренное по поверхности изоляционного слоя, а зазором — кратчайшее расстояние между токопроводящими деталями или частями прибора, измеренное по воздуху. Размеры путей утечки и воздушных зазоров определяются стандартами. Доступность части прибора к любому участку его поверхности проверяется прикладыванием испытательного пальца.
Все испытания и измерения значений параметров осуществляются в условиях и методами, установленными стандартами. Измерение сопротивления изоляции на электрическую прочность по ГОСТ 12.2.006—83 проводят в камере влажности или в соответствующих помещениях сразу после испытания на влагостойкость.
Между полюсами схемы, непосредственно присоединенной к сети питания, испытательное напряжение переменного (пикового) или постоянного тока определяется по формуле
2U+ 1410В,
84
где U—наибольшее пиковое значение напряжения, под которым находится изоляция в нормальных условиях работы, при наличии неисправностей при подключении прибора к источнику питания с номинальным напряжением, В.
Эстетические и эргономические требования. Эргономические требования, требования по обитаемости и технической эстетике к изделиям (системы «человек — машина») должны быть направлены на повышение эффективности деятельности и сохранение здоровья оператора (команды, экипажа), взаимодействующего с изделием за счет оптимизации: структуры взаимодействия операторов и операторов и технических средств деятельности; физической, информационной, психологической, умственной нагрузки на оператора; условий деятельности, поддерживания и восстановления здоровья и работоспособности оператора.
Конструкция изделия должна обеспечивать оптимальное сочетание визуальных, акустических и других видов сигналов, их быстрое и надежное обнаружение, различение, опознание и дифференцирование в различных условиях деятельности, в том числе в условиях помех, надежность поиска, захвата, фиксации, необходимую чувствительность и оптимальные усилия перемещения ими органов управления, а также исключение неправильных действий при работе с несколькими однотипными органами управления, надежность обнаружения, наблюдения и рассмотрения объектов при помощи оптических приборов в условиях дня и ночи и других требований.
Должно быть обеспечено формирование и совершенствование необходимых навыков и умений оператора или группы операторов в условиях, приближенных к реальным условиям деятельности, наглядности и иллюстративности специальной и эксплуатационной документации, удобство пользования инструмента и приспособлений для профилактических и ремонтных работ, удобство и надежность поддерживания связи между операторами и оператором и внешними объектами.
Требования по обитаемости должны обеспечивать снижение воздействия на оператора вредных физических, химических, биологических и социально-бытовых факторов на рабочих местах и в обитаемых помещениях с учетом длительности этого воздействия, а также создание условий труда и отдыха, соответствующих характеру деятельности операторов.
Требования технической эстетики устанавливают в виде требований по обеспечению художественно-конструкторского проектирования изделия с целью оптимальной реализации в структуре и форме изделий функциональных, технико-конструктивных, эргономических и эстетических требований, а также в виде эстетических требований к характеристикам внешнего строения конкретного изделия с целью достижения высокого уровня художественной выразительности, рациональности формы и целостности композиции изделий и интерьеров помещений.
85
Требования технической эстетики должны обеспечить установление важнейших пространственно-компоновочных решений, поэлементных и блочно-функциональных членений с таким расчетом, чтобы эти элементы и образцы (базовые модели, базовые модификации) давали необходимое разнообразие комбинаций, отвечающих задачам оптимизации функциональных процессов и создания комфортных условий деятельности оператора, проведение типизации и унификации элементов, приводящих к разработке типоразмерных рядов изделий и др.
Применительно к конкретным изделиям эстетические требования должны обеспечивать достижение заданных эстетических показателей качества изделий, отражение во внешнем строении изделия и элементах этого строения закономерностей, присущих конструкции изделия и его составных частей, их назначения, состояния и способов действия с ними, соответствие внешнего строения изделия условиям эксплуатации и обслуживания изделий, единство внешнего строения изделий, применяющихся совместно, а также элементов внешнего строения одного изделия, выраженное в наличии общих стилеобразующих признаков, гармоничности и единства цветографического решения и др.
Выбор состава эргономических требований, требований по обитаемости и эстетических требований к изделиям и материалам проводят анализом назначения изделия, климатических зон использования, условий применения изделия, задач, для выполнения которых предназначены изделия, требований к качеству выполнения задач. Далее определяют возможные режимы работ изделия, предполагаемую роль оператора (операторов) при выполнении задач, сложность решаемых задач, тяжесть физической и напряженность умственной деятельности операторов, определяют и анализируют факторы, влияющие на качество деятельности и здоровье операторов, устанавливают взаимосвязи характеристик изделий с требованиями к изделиям.
Основой для оценки уровня эргономичности изделия являются эргономические показатели. Весомость каждого эргономического показателя определяется в процессе эргономической экспертизы.
Однозначная и объективная оценка эстетических показателей конструкции численными параметрами является очень сложной задачей, и практически единственным методом может быть экспертный, когда с помощью отдельных параметров экспертами определяется степень удовлетворения требований к технической эстетике в баллах в виде анкетирования.
Для каждого показателя эстетичности конструкции экспертами устанавливаются весовые коэффициенты ф, по формуле (3.3) и значения балла удовлетворения данного требования а ;- по формуле
1 N
(3-6)
86
где N—количество экспертов в группе; i—индекс эксперта в совокупности.
Результаты оценки сводятся в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Пример определения эстетического качества конструкции
Показатель эстетичности Средний балл а,- Коэффициент веса <р; Степень реализации показателя а,ф;
1. Целостность композиции 2. Выделение композиционного центра 2,8 3,0 0,3 0,5 0,84 1,50
т. Учет психофизиологического воздействия на оператора 1,7 o,i 0,17
У m Ё <Рэ=1>° m Е =
Оценке подлежит композиция, пространственная конфигурация, графические элементы и цветофактурные характеристики внешнего строения изделия (ГОСТ 20.39.108—85).
Более полная характеристика эргономических и эстетических требований, методы их обеспечения изложены в гл. 5.
Требования к патентной чистоте. Патентом является документ, который заверяет признание предложения на техническое решение изобретением или промышленным образцом, его приоритет, авторские права лица на его творческое решение и права владельца патента. К промышленным образцам предъявляются требования, относящиеся к особенности внешнего вида изделия — силуэт, форма, элементы внешнего оформления, которые придают изделию новые эстетические качества.
Патентные права регулируют защиту изобретения. Законодательство предоставляет владельцу патента монопольные права на его использование на определенный срок (обычно 15—20 лет) на территории страны, где патент выдан. Поэтому требование к патентной чистоте выражается в обеспечении неподпадания использованного технического решения под действие патентов в определенной стране. Другими словами, основным признаком, ограничивающим применение того или другого запатентованного принципа, является территориальный. Это означает, что экспорт продукции в страну, где запатентовано техническое решение, заложенное в конструкции изделия, недопустим как с точки зрения международных прав, так и этики — присвоения продукта умственной (творческой) деятельности человека. Нарушение этих требований приводит к крупным экономическим затратам (арест продукции, штрафные санкции) и моральным потерям (снижение престижа). Наоборот, использование зарубежных изобретений в странах, где они не запатентованы, в том числе в России, не ограничивается.
87
Анализу по патентной чистоте подлежат конкретные технические решения, например принципиальные электрические и кинематические схемы, конструкции составных частей изделия, силуэт, форма, товарный знак (обозначение, помещенное на изделии, свидетельствующее о предприятии-изготовителе) и др., благодаря которым продукция приобретает оригинальность.
Проверку вариантов исполнения конструкции на патентную чистоту проводят на стадиях технического предложения, эскизного и технического проектирования. Оценка патентно-правового уровня проводится вычислением двух показателей: патентной защиты и патентной чистоты.
Показатель патентной защиты оценивает степень защиты разрабатываемого изделия авторскими свидетельствами страны и патентами за рубежом и определяется по формуле [1.3]
Пп.3 = П„ , + П".3, (3-7)
S
где Пп,з= £ (piNi/N—показатель патентной защиты авторскими i= 1 s
свидетельствами; П"3 = т £ ср;А//А—показатель патентной за->= 1
щиты за рубежом; ср, — коэффициент веса составных частей (по группам значимости); N't — число составных частей (по группам значимости), защищенных авторскими свидетельствами; N" — число составных частей, защищенных патентом (по группам значимости); N—общее число составных частей в изделии; 5 — число групп значимости; т — коэффициент весомости, зависящий от числа стран, в которых получены патенты.
Возможности реализации изделий на внешних и внутренних рынках определяют при помощи показателя патентной чистоты:
Пп.ч = (А- £ ФЛ.-М (3-8)
i= 1
где N, — число составных частей (по группам значимости) изделия, попадающих под действие патентов в данной стране.
Коэффициенты веса ср,- и т определяются экспертным путем методами, описанными ранее. Показатель патентной чистоты определяется отдельно для каждой страны, где предполагается реализовать данную продукцию.
Патентный формуляр является документом, который предназначен для определения патентноспособности, патентной чистоты и технического уровня объектов: изделий, технологических процессов, методов измерений и испытаний и т. п. Он содержит необходимую информацию, которая позволяет оценить конструкцию в отношении патентной защиты и патентной чистоты на всех этапах разработки. Патентный формуляр отражает технический уровень объекта и его конкурентоспособность. л г !s!i г.чо 88
Отмечаются графические, текстовые или комбинированные изображения, которые могут быть расценены как товарные знаки (фирменные знаки, название или модель изделия и др.).
В патентном формуляре указываются страны, в отношении которых объект обладает патентной чистотой, и страны, в отношении которых не обладает.
Патентный формуляр оформляется в соответствии с ГОСТ 2.110—68.
Условия эксплуатации (использования), требования к техническому обслуживанию и ремонту. Широкое использование РЭС в различных средах деятельности человека отражается в требованиях к конструкции по условиям эксплуатации. В зависимости от вида и назначения РЭС в общем случае указывают: условия эксплуатации, при которых должно обеспечиваться использование изделия с заданными техническими показателями; допустимые воздействия климатических условий (температуры, влажности, атмосферного давления, солнечной радиации, агрессивных сред, пыли и т. п.); допустимое воздействие механических нагрузок (вибрационных, ударных, скручивающих, ветровых и др.); время подготовки изделия к использованию после транспортирования и хранения; вид обслуживания (постоянное или периодическое) или допустимость работы без обслуживания; периодичность и ориентировочная трудоемкость технического обслуживания и ремонта; необходимое количество и квалификация персонала; параметры продукции, с которой должно функционировать разрабатываемое изделие, а также требования к обеспечению использования этой продукции в случае возникновения отказов разрабатываемого изделия.
С конструкторской точки зрения исключительно важное значение имеют воздействия климатических условий и механических нагрузок. Климатические воздействия характеризуются влиянием температуры, тепловых ударов, влажности, атмосферного давления, пыли, солнечной радиации. При этом должно учитываться содержание в атмосфере коррозийно-активных веществ — сернистых газов, хлоридов и аммиака. Для тропических условий эксплуатации дополнительно учитывают биологические факторы— влияние плесени, насекомых и грызунов.
В процессе эксплуатации и (или) транспортирования практически все виды РЭС подвергаются механическим воздействиям — вибрациям, ударам, линейным ускорениям и акустическим ударам. Механические воздействия могут вызывать большие разрушающие напряжения в элементах РЭС.
Вибрации представляют собой периодические колебания, которые возникают в аппарате при контакте с источником колебаний (объектом установки, транспортным средством). Различают виброустойчивостъ (функционирование аппарата в условиях вибрации) и вибропрочностъ (противостояние аппарата
89
разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии). Параметрами воздействия вибрации являются частота и ускорение, заданные в ТЗ. Удар характеризуется длительностью импульса и ускорением, а линейное ускорение — ускорением.
Акустический шум возникает у работающих двигателей объекта установки (ракеты, самолеты) и характеризуется зуковым давлением и спектром звуковых частот.
Учет всех факторов воздействия на РЭС при их конструировании чрезвычайно затруднителен, требует большого объема экспериментальных и исследовательских работ. Для упрощения этого вопроса, исполнения изделий, пригодных для работы в различных климатических районах (см. табл. 3.3), а также условия размещения на объекте (см. табл. 3.4), систематизированы и стандартизированы.
Таблица 3.3. Основное климатическое исполнение изделий
Код зоны Исполнение, климат
У УХЛ ТВ тс м тм о ом в Умеренный Умеренный и холодный Влажный тропический Сухой тропический Умеренно холодный морской Тропический морской Общеклиматическое исполнение для суши Общеклиматическое морское Всеклиматическое исполнение для суши и моря (не распространяется на Антарктиду)
Таблица 3.4. Категория размещения РЭС иа объектах
Категория Характеристика
1 1.1 На открытом воздухе Для хранения и работы в помещении категории 4 и для кратковременной работы в других условиях, в том числе на открытом
2 воздухе Под навесом и на объектах, где колебания температуры и влаж-
2.1 ности несущественно отличаются от условий открытого воздуха Внутри изделия категорий размещения 1; 1.1; 2, но при условии
3 исключения конденсации влаги В закрытых помещениях с естественной вентиляцией без кондици-
3.1 4 4.1 4.2 5 онирования В нерегулярно отапливаемых помещениях (объектах) В помещениях (объектах) с искусственным климатом При кондиционировании или частичном кондиционировании Внутри промышленных отапливаемых зданий В помещениях (объектах) с повышенной влажностью, приводящей
5.1 к частой конденсации влаги на стенах и потолке Внутри изделий категории 5, но при условии исключения конденсации влаги на данном изделии
90
В зависимости от условий эксплуатации бытовые РЭС подразделяют на четыре группы. В соответствии с этими группами, аппаратура должна выдерживать климатические и механические воздействия, установленные в ГОСТ 11478—83.
3.3. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ
И КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИИ РЭС
Технико-экономическая характеристика изделия. Комплексная оценка качества конструкции изделия производится при помощи комплексных показателей качества по группам показателей (назначения, надежности, безопасности и эргономики, эстетики, технологичности и унификации и патентно-правовых).
Уровень можно определить в виде отношений комплексных показателей проектируемого РЭС и эталонной (базовой) конструкции:
ку П/С. эт»
где кк „, А\..,т—комплексные показатели качества проектируемого и соответственно эталонного РЭС, определяемые по формуле (3.2).
Основой для комплексной оценки качества служат два документа: техникоэкономическая характеристика и карта технического уровня и качества изделия.
Технико-экономическая характеристика (ТЭХ) изделия представляет собой систему основных технико-экономических показателей и позволяет осуществлять оперативное планирование, получить необходимые данные для анализа качества изделий, прогнозирования развития техники, совершенствования системы планирования и др. Составляется ТЭХ на стадии технического проекта и разработки рабочей документации опытного образца с последующим уточнением в серийном или массовом производстве.
Из технических и эксплуатационных показателей указываются (например, вычислительная техника, аппаратура средств связи и др.) назначение техники, назначение изделия, основные технические параметры.
Требования по эксплуатации содержат особые указания по эксплуатации изделия или здесь проставляется группа климатических и механических воздействий, а также требования, обеспечивающие безопасность при эксплуатации. Раздел конструктивно-технологических показателей включает показатели, определяющие эффективность производства, состав изделия и краткое описание его конструктивного оформления, признаки, определяющие особенности и трудоемкость изготовления изделия.
Раздел производственных показателей включает показатели, характеризующие особенности организации процесса изготовления изделия, объем выпуска изделия, трудоемкость изготовления и др.
91
Раздел экономических показателей состоит из сведений, характеризующих затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия.
Технико-экономическая характеристика оформляется в соответствии с ГОСТ 2.104—68 и ГОСТ 2.105—68.
Карта технического уровня. Карта технического уровня и качества (КУ) составляется на вновь разрабатываемые, модернизируемые и находящиеся в серийном производстве изделия и служит для комплексной оценки качества изделия. В КУ приводятся показатели назначения, надежности и долговечности, технологичности, эргономические и эстетические показатели, показатели стандартизации и унификации, патентно-правовые и экономические показатели. Для сравнения достигнутого технического уровня разрабатываемого изделия приводятся показатели качества по данным ТЗ, ТУ и другим документам, а также базовые показатели качества и показатели, действующие по стандартам на данное изделие, показатели качества перспективного образца, отечественных и зарубежных аналогов.
При определении патентной чистоты отмечаются страны, являющиеся передовыми в области производства изделий данного вида, возможные страны-потребители данного изделия.
В КУ при необходимости отмечается планируемое повышение значений отдельных показателей и сроки их достижения, приводятся исходные материалы ТЭХ, ТУ, проспекты, отчеты и др. В заключение дается общая оценка уровня качества изделия и предложения о целесообразности изготовления (модернизации, снятия его с производства); КУ должна отвечать требованиям ГОСТ 2.116—71.
Технико-экономическая характеристика и КУ являются самостоятельными документами и входят в комплекты КД.
3.4. РАБОТА ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ?
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ’
Работа по конструированию начинается с всестороннего анализа ТЗ, которое согласовывают с заказчиком. При анализе необходимо изучить технические характеристики, конструкцию, опыт производства и эксплуатации ранее созданных аналогичных изделий и близких по назначению и условиям работы, а также зарубежных. Полезно провести анализ новой и перспективной элементной базы и ее выбор. В результате должны быть выявлены те позиции и части изделия, по которым можно ориентироваться на опробированные конструкции, те позиции, по которым необходимо привлечение новых решений и элементов и, наконец, те позиции, пути выполнения конструкции которых не ясны и требуется предварительное проведение исследований, творческий поиск, изобретение новых конструкций и т. д.
92
Решение этих вопросов — очень ответственная часть конструирования. От правильного их решения зависит успех конструирования, производства и эксплуатации, оно должно происходить в условиях поиска оптимумов, борьбы мнений, сравнений вариантов, критики, глубокого критического изучения и понимания перспектив развития потребностей общества, возможностей промышленности, технологии и элементной базы, новых конструктивных решений, с учетом потребующихся затрат времени и труда на проектирование и подготовку производства и т. п.
Следует также определить методы, на которые целесообразно ориентироваться в работе: на интуицию и эвристику, на макетирование и натурный эксперимент и на вычисления.
На разных стадиях проектирования относительная значимость указанных методов изменяется. На стадиях технического предложения и эскизного проекта велика роль эвристических и вычислительных методов. На этапах технического проекта, рабочей документации и опытных образцов возрастает значение натурных экспериментов. Решение этих вопросов и повышение эффективности исследований и проектирования, а также обеспечения при конструировании эффективности производства и последующей эксплуатации, связано с внедрением вычислительной техники и автоматизацией. Это требует основательных представлений о возможностях и ограничениях вычислительной техники, что делает необходимым их изложение в последующей четвертой главе.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Перечислите состав и охарактеризуйте отдельные технические требования ТЗ.
2. Назовите основные требования к обеспечению технологичности сборочных единиц и деталей.
3. В чем суть стандартизации и унификации?
4. Назовите основные требования к безопасности и требования к охране природы.
5. Что называется основной, двойной и дополнительной изоляцией?
6. В чем заключаются требования к конструкциям, содержащим источники опасных напряжений?
7. К чему должны быть направлены эргономические требования, требования по обитаемости и технической эстетике?
8. Как определяются эстетические показатели конструкции?
9. Что такое патентный формуляр?
10. Каким образом в ТЗ учитывается комплексное воздействие внешних факторов?
11. В чем выражаются требования к транспортированию и хранению РЭС?
12. Каким образом производится комплексная оценка качества конструкций РЭС?
93
Г л а в a 4. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
В КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС
4.1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
Задачи изучения вычислительной техники (ВТ) конструктором РЭС. Вычислительная техника приобрела важнейшее значение, она является катализатором научно-технического прогресса и важным фактором повышения эффективности и производительности общественного труда [4.2].
Однако для того, чтобы ВТ выполнила свою роль, к ней и к ее развитию следует подходить не как к самоцели, а комплексно, рассматривая в совокупности с расширением и углублением ее применений в разных областях науки, техники и производства, где она призвана содействовать повышению эффективности научных исследований и проектирования, совершенствованию технологии, управления и т. п.
Давно ведется и расширяется подготовка инженеров, специалистов по ВТ по многим специальностям.
Специалистам по ВТ приходится решать много специфических для них проблем, и у них нет возможности вместе с тем достаточно глубоко овладеть теми областями науки и техники, где она применяется. Проблемы, относящиеся к профессиональной деятельности конструкторов РЭС, содержат сложный комплекс понятий, методов, принципов, технических решений и т. п. Они продолжают быстро развиваться и количество информации, которой оперируют конструкторы РЭС, увеличивается. Очевидно, что в этих условиях обычно конструкторы-технологи РЭС не могут освоить ВТ так, как специалисты в этой области. В то же время в современных условиях конструкторы-технологи РЭС не могут обойтись без использования ВТ, так как именно в расширении ее применений состоит один из основных путей совершенствования их профессиональной деятельности как специалистов по конструированию РЭС, в части повышения уровня и эффективности научных исследований, проектирования и производства, улучшения качества аппаратуры и очень важно обеспечить правильное взаимодействие конструктора и специалиста по ВТ [4.2, 4.4].
Сказанное определяет противоречие, в условиях которого происходит внедрение ВТ в конструирование РЭС.
94
Дисциплина, которой посвящена настоящая книга, является системной и заключенной в подготовке конструктора РЭС, она должна дать итоговую направленность для будущей деятельности, в том числе в части применений ВТ.
Пересмотр основных концепций применений ВТ и его причины. Наблюдается чрезвычайно быстрое качественное развитие технических средств ВТ, в части объема памяти, быстродействия и др., и увеличение их выпуска. По оценкам некоторых специалистов стоимость вычислительных средств с аналогичными возможностями уменьшилась за 15 лет в 1000... 10000 раз. В настоящее время снижение составляет около 30% в год. Это сделало их доступными для личного и широкого применения.
Быстрый прогресс в области ВТ привел к тому, что ее изучение и внедрение происходит в условиях, когда многие концепции ее применения изменяются и перестраиваются.
Пять — десять лет тому назад ориентировались на средние ЭВМ (ЕС ЭВМ). Сейчас происходит быстрое возрастание значения персональных ЭВМ (ПЭВМ). Это не случайно. За последние 10 лет настолько динамично развивались технические средства, что теперь возможности микроЭВМ, в том числе ПЭВМ, обеспечивают многие потребности.
Прежде освоение ЭВМ сводили к изучению программирования. Потом убедились, что главная трудность — это численные и имитационные модели.
Еще недавно ориентировались на пакетный режим. Теперь важным в инженерных приложениях ВТ становится диалоговый режим. Он коренным образом меняет общение человека с машиной и быстро совершенствуется в связи с созданием системы команд инструментальной системы, обеспечивающей гибкое управление ПЭВМ.
Раньше считали, что для внедрения ЭВМ достаточно взять формулы, которые были давно получены, и вести расчет на ЭВМ по этим формулам. Теперь убедились, что надо шире использовать численные методы и имитационное моделирование, только тогда в полной мере используются возможности, заложенные в ЭВМ, и получаются качественно новые результаты.
Прежде считали, что главной задачей является создание пакета программ для часто решаемых задач с тем, чтобы использовать готовые программы, но для своих данных. Опыт показал, что это позволяет целесообразно организовать взаимодействие специалистов по ВТ и конструкторов, но недостаточно. Надо добиваться того, чтобы конструктор мог активно работать с ЭВМ, чтобы он мог создать не только модели, но и простые программы. Дисплейный режим, применение простых в изучении языков дают все возможности для этого, и при ПЭВМ он обходится дешево.
Была тенденция использовать языки все более высокого уровня. Сейчас для составления программ самим пользователем
95
широко используется простой в изучении и применении язык — Бейсик, предусмотренный во многих персональных ЭВМ при их выпуске.
Длительное время господствовала тенденция централизации технических вычислительных средств, создания сверхмощных быстродействующих ЭВМ и вычислительных центров, обслуживающих одновременно многих пользователей. Трудности в обеспечении надежности больших ЭВМ, с одной стороны, и значительное расширение возможностей ПЭВМ привели к тому, что в настоящее время преобладает тенденция децентрализации технических средств, приближения их к рабочему месту, прибору, пользователю, обеспечение возможности параллельной работы. Это оказывается во многих случаях дешевле, оперативнее, надежнее.
Быстро расширяются области применения ВТ. Долгое время применительно к конструированию РЭС в основном имелось в виду ее применение для автоматизации проектирования (САПР). Теперь не меньшее значение имеет ее применение для автоматизации производства ГПС, а также для научных исследований и автоматизации управления, для развития информационных служб и создания новой элементной базы РЭС на основе микропроцессоров.
Таким образом, перед конструкторами РЭС стоит задача расширения применения ВТ в конструировании в условиях возрастания ее значения, динамичного развития и пересмотра многих представлений о ее применении [4.4]. Это требует понимания общего состояния с ВТ и особенностей ее широкого применения, обоснования правильного и продуманного взаимодействия со специалистами по ВТ, которые должны обязательно совместно работать с конструкторами.
Следует всегда иметь в виду, что конструктор — это «пользователь» ВТ, работающий совместно с ее создателями, профессионалами по ВТ. Поэтому вопросы, относящиеся к применению ВТ, не излагаются подробно, так, как это сделано в других главах книги. Здесь авторы кратко останавливаются на основных вопросах, идеях, возможностях ВТ. Такое изложение и является целью настоящей главы. t,
4.2. ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
В КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС ;
Создание специализированных областей использования ВТ в конструировании РЭС. Остановимся теперь более подробно на том, каковы основные области применения ВТ в конструировании РЭС.
Напомним, что основные функции ВТ состоят: в выполнении циклических вычислений; запоминании (накоплении) и организа-96
ции информации в виде текстов, результатов вычислений, различных данных, сведений, программ выполнения логических и вычислительных процедур; в выполнении преобразований информации для вывода ее на дисплеи (в том числе графические) и на печать (в том числе на графопостроители), выявление ошибок и обеспечение удобства редактирования и исправления текстов, чертежей, графиков; в организации доступа к автономным источникам информации (базы данных и т. п.) и многое другое. Эти общие основные возможности и функции ВТ сохраняют свое значение и в настоящее время. На их основе постепенно сформировались специфические и особенные области применения ВТ в науке, технике и производстве, которые приведены ниже. При этом имеются в виду только ЭВМ широкого назначения [4.4].
К ним (областям) относятся:
АСУ — автоматизированные системы управления, в том числе автоматизированные системы управления технологическими процессами АСУТП;
ГАПС — гибкие автоматизированные производственные системы;
САПР — системы автоматизированного проектирования;
АСНИ — автоматизированные системы научных исследований; ЭКС — экспертные системы;
АИПС — автоматизированные информационно-поисковые системы;
АОС — автоматизированные обучающие системы;
МПУ — вычислители в составе РЭС, микропроцессорные устройства.
Каждая из систем включает следующие средства (компоненты) обеспечения;
методические — состав и правила эксплуатации систем
и средств;
лингвистические — языки программирования и термины;
математические — методы, математические модели, алгоритмы;
программные—тексты программ, программы на магнитных носителях;
технические—технические средства (ЭВМ, АРМ и т. п.);
информационные—документы, содержащие типовые решения, типовые конструкции изделий и их модели и т. д., а также блоки данных на машинных носителях с записью вышеуказанных документов;
организационные — инструкции, квалификационные требования и т. п., регламентирующие оргструктуру и взаимодействие.
Создание систем — это сложное и совместное дело для специалистов соответствующих областей техники и профессиональных программистов. В результате достигается значительное упрощение применения ВТ для решения сложных задач пользова
4 Зак. 2019
97
телями, не имеющими профессиональной подготовки в области ВТ.
Рассмотрим теперь подробнее области применения ВТ.
Автоматизированные системы управления и гибкие автоматизированные производственные системы. Можно автоматизировать управление станками, отдельными технологическими и диагностическими установками (АСУТП). Можно решать задачи автоматизации управления в более широком масштабе. Существуют автоматизированные системы управления предприятий (АСУП), отраслью (ОАСУ). Существует много вариантов и разновидностей АСУ. Каждая из них предполагает автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для управления технологическим процессом, предприятием (отраслью) с выдачей команд.
Главная цель АСУ — обеспечение эффективных режимов работы технологических установок, предприятий, отрасли для достижения наивысшей производительности труда и оборудования и высокого качества продукции.
В составе конструкторского подразделения имеется много бригад, групп и т. п., и обычно одновременно идут работы над несколькими объектами, которые к тому же находятся на разных стадиях конструкторского проектирования.
Традиционное управление требует систематического сбора многих сведений, их обработки, обсуждения и сопоставления на совещаниях. На все затрачивается много труда и времени. При создании АСУКО (конструкторским отделом — подразделением), автоматизируя сбор сведений и их обработку на ЭВМ, можно значительно повысить оперативность и действенность управления, оставив за руководством принятие сложных решений.
По мере усложнения РЭС, развития кооперации и специализации в ее конструировании, управление процессом конструирования усложняется и все более актуальным становится использование АСУ.
При управлении предприятием (АСУП) обязательно необходимо включать в управление конструкторские подразделения, для обеспечения четкого и быстрого решения вопросов по конструкции изделий, которые всегда в большом количестве возникают в производстве и для создания оперативного контроля исполнения. Пока результаты и эффективность внедрения АСУ оцениваются неоднозначно.
Большое и возрастающее значение имеет АСУТП. Это требует учета в особенностях конструкций и в части конструкторской документации. Последняя часто принимает вид программ, которые через ЭВМ управляют технологическими процессами.
Расширение АСУТП привело к появлению ГАПС, т. е. сочетанию программируемых роботов и ЭВМ [4.3].
Появление ГАПС вызвано тем, что преобладающая в прошлом автоматизация производства была основана на «жестких» 98 • >•< -
механических автоматах, не приспособленных для смены продукции. Там, где продукция выпускается без изменения, такие системы дают эффект и они остались перспективными на будущее. Если в производстве необходимо менять продукцию, то «жесткий» автомат не может решить задачу, так как его надо переделывать, что вызывает определенные трудности. Если производится смена продукции, но она основана на базовой конструкции, то, используя роботы, можно переходить от одного изделия к другому, изменяя программу, по которой ЭВМ управляет их действиями.
Особенно эффективны ГАПС при их интеграции с САПР, что будет рассмотрено ниже.
Системы автоматизированного проектирования (САПР). Автоматизация проектирования, его математическое и программное, обеспечение были предметом изучения предшествующих дисциплин. Однако в обобщающей дисциплине специальности, к которой относится эта книга, ввиду важности вопроса, полезно вновьs вернуться к САПР, но уже с других позиций, а именно, с точки зрения того, в чем состоят особенности САПР и какую роль они ’ играют в совершенствовании системы проектирования аппаратуры t в целом и в комплексном применении ВТ в конструировании РЭС , [4-8].
Напомним, что САПР предназначается для выдачи проектных решений и конструкторской документации. Проектирование может , быть неавтоматизированное и автоматизированное. При неавтоматизированном— все задачи проектирования решает конструктор (синтез, анализ, проектные решения, документация), для него характерны большие затраты времени и труда. Автоматизирован- s ное проектирование решает комплекс задач проектирования' с частичным привлечением человека. Сложные системы, синтез, новаторские решения остаются за конструктором. Автоматизированное проектирование уменьшает затраты труда и времени. Состоит САПР из подсистем, которые обеспечивают получение проектных решений и документов по отдельным направлениям, например: детали, сборочные единицы, технологическое проектирование, трассировка печатных плат и т. д. [4.1].
Автоматизация проектирования базируется на принципах научного обоснования методов, научного обоснования разделения функций между человеком и ЭВМ с выполнением человеком творческих функций и передачей на ЭВМ нетворческих (вычислительных, оформительских и т. п.) функций, системного использования ЭВМ на разных стадиях [4.1].
Проектирование объектов и систем ведется на четырех уровнях: системное, схемотехническое, конструкторское и технологическое.
Системное—оптимизация структуры систем.
Схемотехническое — анализ принципиальных электрических схем, в том числе на рассеивание параметров, на основе детальных моделей активных и пассивных элементов.
4*
99
Конструкторское—размещение, трассировка, виброзащита, тепловые режимы.
Технологическое — создание документации на изготовление.
В интегрированных ГАПС и САПР имеются особенности, показанные ниже.
Актуальность САПР определяется:
возможностью проектирования сложных устройств, не поддающихся расчленению, недоступных при неавтоматизированном проектировании, например БИС, многослойные печатные платы;
возможностью проектирования с лучшим приближением к реальным условиям и без натурных экспериментов за счет использования численных методов и более сложных и точных моделей элементов;
возможностью снижения трудовых и временных затрат в связи с уменьшением трудоемкости вычислений, а также объема натурных экспериментов и доработок по их результатам;
возможностью использования диалогового режима, что позволяет принимать гибкие решения [4.1].
Использование действующих систем САПР предполагает, что алгоритмы и программы отлажены, записаны на магнитных носителях и известен перечень часто решаемых задач (подсистем САПР). Обычно это сложные задачи. Для облегчения использования САПР создаются инструкции по каждой задаче, которые можно рассматривать как своеобразный язык общения пользователя с САПР. Пользователь, убедившись, что его задача предусмотрена САПР, может ее решать, не осваивая алгоритмизации и программирования в обычном смысле этих слов, что значительно упрощает его действия. Специальное углубленное изучение пользователем САПР обычно не требуется.
Современная система САПР — это сложный комплекс, размещаемый на больших площадях, требующий большого количества квалифицированного персонала. Трудоемкость ввода САПР в действие значительна, в том числе в связи с необходимостью создания базы данных для информационного обеспечения.
Следует подчеркнуть, что ситуация с построением и применением САПР в радиоэлектронике существенно изменилась в связи с развитием профессиональных персональных ЭВМ (ПП ЭВМ).
Опыт передовых коллективов показал, что на существующих ПП ЭВМ можно построить сложные САПР по проектированию печатных плат [4.6]. Совершенствование ПП ЭВМ позволит в ближайшее время большую часть существующих подсистем САПР, ориентированных на средние и мини-ЭВМ, перевести на ПП ЭВМ. При этом сложная, дорогостоящая, занимающая большие помещения, требующая значительной численности обслуживающего персонала, обладающая значительной инертностью организационно-техническая система преобразуется в удобный, компактный комплекс технических средств, размещаемый на столе
100
конструктора. Пользование такой САПР основано на широком применении пакетов прикладных программ (ППП).
Кроме того, следует иметь в виду, что как бы ни развивались САПР и их подсистемы, очень многие инженерные задачи не входят в них и их приходится решать отдельно от САПР.
Поэтому помимо САПР следует оборудовать ПП ЭВМ рабочие места конструкторов, чтобы простые неповторяющиеся задачи решались на них. В необходимых случаях — при участии профессионалов-программистов.
Интегрирование ГАПС и САПР. Важно отметить, что САПР не комплексно решает задачу, так как «цепь» работ «разорвана», поскольку производство из этой цепи исключено. Надо ориентироваться на САПР, интегрированную с ГАПС. Идея интегрированных ГАПС и САПР интересная и перспективная («сквозные» САПР).
Известно, что наилучшие результаты достигаются при комплексной автоматизации. В период первых этапов развития САПР автоматизация производства осуществлялась в основном с использованием механических автоматов, а комплексирование (интеграция) САПР и производственных «жестких» автоматов были затруднены. Первые шаги комплексной автоматизации были связаны со станками с ЧПУ. При этом результат автоматизированного проектирования выдавался в виде программы для станков с ЧПУ. Значительные возможности по развитию комплексной автоматизации появились после создания программируемых роботов.
Робот — это механический автомат, функционирование которого в определенных пределах может изменяться (управляться) путем подачи «сигналов», вырабатываемых с использованием вычислительного устройства и преобразователей цифра—движение (положение).
С применением программируемых роботов можно осуществлять операции по обработке (при изготовлении деталей) и сборочные операции. Конструктор РЭС должен стремиться осуществлять автоматизированное проектирование в расчете на изготовление конструкции в условиях ГАПС. Для этого он должен иметь представление об основных особенностях ГАПС интегрированной с САПР, о требованиях, которые при этом предъявляются к конструкции. Важно также представлять условия, где такие интегрированные системы эффективны. Интегрированная система содержит производственный участок с роботизированными технологическими комплексами и микроЭВМ, участок проектирования и заказов АРМ и центральную ЭВМ с сильно развитой внешней памятью ВЗУ.
В диалоговом режиме ведется конструкторское проектирование по ТЗ заказчика, по результатам проектирования заказчику выдается ответ о технической возможности изготовления продукции по его ТЗ. Результаты записываются в ВЗУ.
101
Особенность конструкторского проектирования состоит в том, что могут проектироваться только такие изделия, которые основаны на базовой конструкции, под которую спроектирована ГАПС.
Особенность проектирования технологии и технологической подготовки производства состоит в том, что они не предполагают проектирования и изготовления новой оснастки и инструмента, освоения новых технологических процессов и операций, не предусмотренных в ГАПС. Проектирование состоит в том, что, обращаясь к информации, заложенной в ВЗУ, где должны быть полные сведения о всех выполняемых операциях и работах, автоматизированная система подготовки производства находит и фиксирует в ВЗУ маршрут прохождения изделия. При проведении плановых расчетов выявляется, когда можно изготовлять требуемое изделие и также дается ответ заказчику. Когда наступит очередь выполнения заказа, система перейдет к нему, центральная ЭВМ дает команды на микроЭВМ.
МикроЭВМ по командам центральной ЭВМ непосредственно управляют транспортными и загрузочными роботами, а также роботизированными технологическими комплексами (РТК). Транспортный робот берет со склада все, что нужно для изготовления, и подает на РТК. Готовая продукция подается транспортными роботами на склад.
Интегрированные ГАПС и САПР позволяют значительно сократить трудозатраты производственных рабочих, конструкторов, технологов, вспомогательного персонала [4.3].
Например, на участке вместо нескольких сотен рабочих и ИТР в заводоуправлении достаточно иметь всего 10 человек (половина программисты). Первоначальные затраты на оборудование такого цеха значительно больше, чем обычного, но за два-три года они окупаются. Большой социологический эффект состоит в том, что на таком производстве работают высокоинтеллектуальные люди, у которых интересная работа.
В ГАПС, интегрированной с САПР, процесс непрерывен, и традиционной «бумажной» документации может не быть. Вся информация записана на машинных носителях (магнитных дисках). Это коренная революция в проектировании и производстве. Традиционная структура проектирования и производства предполагает большой объем бумажной документации, на исполнение которой уходит от 50 до 70% трудовых затрат и много времени [4.8]. Конечно, используя АЦПУ и графопостроители, можно получить, например для контроля, чертежи изделия, ведомости, технологический маршрут и т. п.
Отсутствие традиционной бумажной документации облегчает внесение исправлений, значительно сокращает трудоемкость и затраты времени на проектирование, подготовку производства, организацию производства. ,;Л s чф «я
102
Для того чтобы создание ГАПС, интегрированной с САПР, было экономически эффективным, необходимо, чтобы выпускаемые разные изделия с единой базовой конструкцией требовались в больших количествах, позволяющих полностью загрузить высокопроизводительное автоматизированное оборудование. Следует иметь в виду, что не для всех изделий следует рекомендовать ГАПС, интегрированную с САПР. Можно выделить три основных случая:
1. Элементы массового изготовления неизменной конструкции, например ферритовые сердечники, лепестки и т. п. При этом целесообразны «жесткие» автоматы.
2. Сборочные единицы на типовых базовых конструкциях, выпускаемые во многих вариантах (катушки индуктивности, печатные платы, БИС и т. п.). При этом целесообразна ГАПС, интегрированная с САПР. Необходимо отметить, что в ГАПС требуется значительно более развитая и жесткая система унификации и нормализации, чем для традиционного производства.
3. Устройства более высокого иерархического уровня. При этом следует использовать САПР для проектирования и традиционное производство.
Автоматизированные системы научных исследований. Цель АСНИ — выявить закономерности. Основным средством этого являются имитационные математические модели.
Целесообразно использование АСНИ, например, при исследовании нестационарных тепловых процессов и механических воздействий в сложных конструкциях, для исследований с применением теории массового обслуживания (в теории надежности, в технологии) и т. п. Таких примеров можно привести много. Дополнительные соображения о методах решения задач на ЭВМ будут изложены ниже.
На практике исследования сложных систем обычно ведутся методами АСНИ. Это дает большой эффект во времени и затратах. Системы АСНИ стали обязательным элементом современной науки [4.4].
Экспертные системы. В тех случаях, когда задачи особенно сложные и создать для них численные или имитационные модели не удается, применяют экспертные системы. При этом по определенному научно-техническому направлению собирают и записывают в память многие предложения, мнения, интуитивные решения, методы и т. п., систематизированные по определенному правилу. Исследователь, которому надлежит решать проблему, предусмотренную экспертной системой, обращается к ней и как бы консультируется со многими экспертами, «мысли» которых записаны в памяти.
Автоматизированные информационно-поисковые системы. Элементы АИПС обязательно присутствуют в САПР, АСНИ и экспертных системах. Но существуют и самостоятельно действующие системы АИПС.
103
Их основная особенность состоит в том, что в них накапливается большой объем информации, обычно на магнитных носителях (базы данных, обеспечивающие хранение и извлечение информации). Такое накопление много дешевле, чем печатные книги, неизмеримо оперативнее, и, что очень важно, в таких системах значительно облегчается поиск и систематизация информации.
Для быстро развивающихся динамичных наук АИПС очень важны. В перспективе у каждого пользователя может быть терминал, который позволит обращаться к государственному фонду АИПС и из любого города в течение нескольких часов получить нужную информацию. Эго экономит время и повышает эффективность проектирования и исследований.
Известно, что конструктору приходится иметь дело со многими справочными пособиями. Например, каталоги применяемых деталей, крепежа, материалов, технические условия, номенклатура и параметры электрорадиоэлементов и интегральных микросхем, ГОСТы, ОСТы, нормали, данные по типовым несущим конструкциям и т. п. Все это хранится в напечатанном виде и каталогизируется. Для того чтобы ориентироваться в этой массе справочных данных, требуется большой опыт, накопленный за длительное время работы. Но и при этих условиях затраты времени оказываются часто значительными. Для сокращения времени на поиск следует широко пользоваться АИПС справочного характера. Создают АИПС профессиональные программисты. Конструктору следует уметь ими пользоваться и оперативно обновлять данные, понимать, как они работают и какие возможности дают.
Автоматизированные обучающие системы могут играть определенную роль в изучении некоторых дисциплин, но в данном учебнике они не рассматриваются.
Вычислители в составе РЭС, микропроцессорные устройства. Микропроцессоры и создаваемые на их основе микропроцессорные устройства — это новая элементная база РЭС. Они непосредственно встраиваются в аппаратуру и выполняют функции какого-либо блока по преобразованию и генерации сигналов. Основой их работы являются алгоритмы функционирования цифровой аппаратуры в отличие от САПР, где в основе лежат алгоритмы проектирования аппаратуры.
Важнейшая особенность МПУ, отличающая их от микроЭВМ в части закономерностей их проектирования, функционирования и применения, состоит в том, что специалисты в области радиотехники и конструирования РЭС, работая с МПУ, выступают как участники создания специализированного вычислительного устройства, а работая с ЭВМ, как пользователи универсального вычислительного устройства. В связи со значительными особенностями и большой перспективностью этих вопросов, они будут подробнее рассмотрены в § 4.5.
104
4.3. КЛАССЫ ЭВМ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС
Технические средства ВТ. Технические средства имеют большое значение в применении ВТ. Они составляются из ЭВМ и разнообразного периферийного оборудования, иногда они объединяются в автоматизированные рабочие места (АРМ) разного назначения, в том числе АРМ конструктора, АРМ технолога и др. Основу технических средств ВТ составляют ЭВМ. Имеются специализированные и универсальные ЭВМ. Специализированные ЭВМ в учебнике не рассматриваются. Ниже будем иметь в виду только универсальные ЭВМ, используемые в конструкторских отделах, на предприятиях и т. п., для проведения вычислений, исследований, проектирования, преобразований информации, ее хранения и организации. Универсальные ЭВМ разнообразны. Официального разделения их на классы пока нет. Обычно выделяют ЭВМ: большие, средние, мини, персональные ЭВМ (ПЭВМ), включая профессиональные ППЭВМ и бытовые (учебные) — У ПЭВМ, программируемые микрокалькуляторы — ПМК.
В основном классы ЭВМ отличаются: назначением, объемом памяти ОЗУ и ПЗУ, разрядностью чисел, быстродействием, обычно используемым ВЗУ и другим периферийным оборудованием. Это определяет возможности ЭВМ и важнейшие показатели: сложность решаемых задач, стоимость, требования к размещению, сложность использования и обслуживания, требования к пользователю, к количеству и подготовке обслуживающего персонала.
Ориентировочные показатели основных классов ЭВМ приведены в табл. 4.1. Цифры относятся примерно к 1988 г., что следует иметь в виду, так как показатели ЭВМ быстро совершенствуются, особенно ПЭВМ [4.4, 4.5, 4.7].
Таблица 4.1. Показатели классов ЭВМ
Класс ЭВМ Стоимость, руб. Масса, кг Размещение Обслуживающий персонал на одну ЭВМ -Ж
Средние 1 • 106 — Вычислительный 50 &
Мини 2-105 центр Комната 5 а
ППЭВМ 2- 104 20...50 Стол 0,001
УПЭВМ 0,5 103 1...3 » 0.001 4
ПМК 0,7- 102 0,2...0,3 — 0,0001
Разрядность ОЗУ Быстродействие, он./с ВЗУ, Мбайт Примечание
32...64 60...500 Мбайт 1О6...1О7 (20...30) 103
32 2...50 Мбайт 106 100... 500
16...32 60 Кбайт (0,5...1) 106 4...20
до 2 Мбайт
8 16 Кбайт 0,5-106 Кассетный Дисплей на 4
магнитофон телевизоре т
8 — Низкое —
105
Персональные ЭВМ имеют следующие основные признаки: 1—простое и наглядное управление и использование, не требующие профессиональной подготовки; 2 — малые стоимость (например, ППЭВМ фирмы IBM стоят порядка 1000 дол.), габариты и масса с возможностью размещения на столе и с разделением на несколько блоков, что облегчает перенос и доставку в ремонт; 3 — ориентировка на широкое использование приобретаемых пакетов прикладных программ и простых языков программирования (например, Бейсик); 4 — малогабаритные сменные внешние накопители, значительно облегчающие применение для пользователя; 5 — хорошие эргономические и эстетические показатели.
В настоящее время по вычислительным возможностям наиболее совершенные ППЭВМ близки к тому, что имели средние и мини-ЭВМ в недавнем прошлом, в то же время они неизмеримо проще в использовании и обслуживании, много дешевле и надежнее. Поэтому ПЭВМ стали основным классом ЭВМ, имеющем наиболее широкое применение, которое быстро расширяется [4.11].
Например, в 1985 г. они составили около 50% от объема проданных в США, что составляет примерно 95% по количеству. Быстро растет их выпуск, например, в США было продано в 1978 г. 200 000 ПЭВМ, а в конце восьмидесятых годов выпуск достиг 25 • 106 в год. Их общее количество в США составило в 1983 г.— 10-10® и в 1985 г.— ЗО Ю6. Примерно половина из ПЭВМ находится в организациях и предприятиях. Предполагается, что на трех сотрудников в среднем требуется одна ПЭВМ. Около половины ПЭВМ находятся в личном пользовании.
Характеристики некоторых ПЭВМ приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Показатели некоторых ПЭВМ
Тип ППЭВМ Масса, кг ОЗУ. Мбайт ВЗУ, Мбайт Быстродействие, оп./с
ДВК-2М 40 0,056 0,5 0,5-10®
ЕС 1840 35 0,640 1 1 106
IBM PC (США) 20 3 40 2-10®
Франция 15 0,5...3 10 2-10®
Применение разных классов ЭВМ в конструировании РЭС. В [4.2] подробно рассмотрены области использования ЭВМ в конструировании РЭС, выделены классы ЭВМ, на которые следует ориентироваться, указаны режимы работы (интерактивный или пакетный), которые следует применять, и языки программирования, которые целесообразно использовать.
Для наглядности, области применения, характер задачи, особенности взаимодействия человека с ЭВМ применительно к основным классам ЭВМ даны в табл. 4.3. Из таблицы видно, как изменяются возможности ЭВМ разных классов и что в каждой ЭВМ могут быть использованы разные языки программирования. Для этого необходимо в операционную систему ввести соответствующий транслятор. Однако практически применительно к разным классам ЭВМ в основном используются определенные языки программирования, которые продолжают развиваться и совершенствоваться. Непрерывно идут споры о том, какие универсальные 106
и проблемно-ориентированные языки наиболее эффективны. Причины неустойчивости языков, вероятно, состоят в том, что они обеспечивают взаимодействие «инертного» технического звена, каковым является ЭВМ, и еще более «инертного» мало изменяющегося звена — человека, воспринимающего множество разных задач и стремящегося к повышению эффективности использования ЭВМ. Очевидно, что наиболее гибкие и многообразные возможности при этом дает приспособление языка к задаче, человеку и ЭВМ. В связи с этим споры и появление новых языков неизбежны, тем более, что вмешиваются субъективные факторы.
Таблица 4.3. Особенности использования ЭВМ разных классов
ЭВМ (примеры) Области применения и характер задач Особенности взаимодействия человека и ЭВМ
Средние ЭВМ Очень сложные задачи, требующие большого объема вычислений и памяти. АСНИ, АИПС, АОС, САПР, ЭКС; развитое периферийное оборудование Пакетный режим. Ввод через перфокарты, перфоленты и из ВЗУ. Ограничения диалога из-за трудностей обеспечения надежности и высокой стоимости. Нет оперативного и «дешевого» общения с ЭВМ. Необходимо участие профессионального программиста
Мини-ЭВМ Сложные задачи, АРМ, САПР, ГАПС, АСНИ. Развитое периферийное оборудование Пакетный и интерактивный режимы. Полезно участие профессионального программиста
ППЭВМ Сложные задачи, АРМ, САПР, простые АСНИ, обращение к другим ЭВМ и базам данных, работа в локальных сетях. Работа в АЦПУ, с алфавитно-цифровым (и графическим) дисплеем, сменные накопители Интерактивный (дисплейный) режим. Оперативность. Прямое, простое, «дешевое» общение с ЭВМ, широкое применение команд инструментальной системы (NC), позволяющих гибко и многогранно управлять ППЭВМ. Ввод через клавиатуру или из ВЗУ
ПЭВМ Простые задачи, обучение, Интерактивный. Дисплей на теле-
(бытовые и игры. Часто печать в комп- визоре. Ввод через клавиатуру. От
учебные) лекте не предусматривается. ВЗУ — кассеты бытового магнитофона пользователя не требуется профессиональная подготовка по ВТ
пмк Простые задачи, вычисления по программам средней сложности (100...300 операторов). Ограниченная программируемая память Повседневное использование. Быстрое освоение. Полезно для освоения ПЭВМ (ввод через клавиатуру, программы, циклы, переходы, редактирование, упрощенный диалог и др.). Полезно для освоения МПУ
Особо следует пояснить применение языка Бейсик и его модификаций. Это простой язык, приспособленный для интерактивного (диалогового) режима, характерного для ПЭВМ, его может быстро освоить пользователь, не являющийся профессионалом в области ВТ, что позволит ему самостоятельно составлять
107
и отлаживать несложные программы. Транслятор Бейсика занимает мало места в памяти ЭВМ. При составлении несложных программ для повседневных инженерных задач преимущества перед Бейсиком таких языков, как Паскаль, ПЛ-1, Фортран, проявляются мало. По этим причинам уже при изготовлении большей части ПЭВМ транслятор Бейсика включается в операционную систему. В то же время, в силу особенностей этого языка, он мало полезен для средних и мини-ЭВМ, на которых обычно решаются сложные задачи. В связи с этим они ориентированы на другие языки (ПЛ-1, Паскаль). В принципе возможно предусмотреть в ЭВМ трансляторы многих языков, но это сильно загрузит память, уменьшит возможности решения сложных задач и потому мало практикуется.
Системный подход к согласованию класса ЭВМ, сложности н повторяемости задач, языка, режима работы, метода использования, подготовленности пользователя в области ВТ н согласования деятельности конструктора со специалистами по ВТ. Из изложенного следует важнейший вывод — неправильно разрозненно решать вопросы о классе ЭВМ, режиме работы, языке, подготовке пользователя и особенностях решаемых задач и т. п., нужен системный подход.
Например, для наиболее простых инженерных расчетов, проводимых рядовыми инженерами или студентами, часто целесообразно применять ПМК и нет надобности в ПЭВМ.
Для повторяющихся задач значительной сложности, когда программы отлажены профессиональными программистами, полезны средние ЭВМ (мини-ЭВМ) и можно ориентироваться на пользователей, не имеющих высокой квалификации в области ВТ, использующих готовые программы в пакетном режиме или действующих по инструкции (САПР, АСНИ, АИПС).
Для разнообразных не часто повторяющихся задач значительной сложности, к решению следует привлекать высококвалифицированный в области ВТ персонал. При этом нужны средние ЭВМ, бывают полезны проблемно-ориентированные языки и пакетный режим.
Разнообразные задачи средней сложности, решаемые инженером, не требуют средних и мини-ЭВМ, вполне достаточно ПЭВМ. Логично при этом основываться на дисплейном режиме и языке Бейсик, составляя и отлаживая простые программы самостоятельно или при участии профессиональных программистов. При наличии ППП уметь их подбирать для своих задач и применять, а также освоить команды и правила управления работой ППЭВМ.
Можно привести много конкретных примеров, для которых целесообразны другие, но обязательно комплексные решения [4.8].
108
4.4. МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
И ИССЛЕДОВАНИЯХ РЭС
Общая характеристика методов использования ВТ при проектировании н исследованиях РЭС. В проектировании в прежнее время преобладали натурные эксперименты. Расчеты проводились «вручную» по сравнительно простым формулам, которые не давали высокой точности, так как при их получении делались существенные допущения. Повышение точности вычислений приводило к громоздким формулам. При сравнительной простоте технических средств недавнего прошлого часто оказывалось проще и надежнее провести приближенный расчет для ориентировки и уточнить результаты экспериментально, создав макет или опытный образец.
По мере значительного усложнения РЭС, которое интенсивно продолжается, прежние методы проектирования и исследований становились неприемлемыми. В этих условиях решающее значение приобрело использование ВТ. Но это потребовало значительной, часто коренной перестройки в деятельности инженера, формирования нового мышления, умения оперировать с дискретными (цифровыми) понятиями и методами, а также освоения команд инструментальной системы.
Методы применения ВТ можно разделить на три основных направления: формульные (аналитические); численные; имитационное моделирование.
При каждом из методов можно использовать разные языки программирования.
Решение технической и научной задачи следует начинать с формулирования математической модели.
Математическая модель — это совокупность математических выражений, отображающих свойства исследуемого устройства (объекта) и протекающие в нем процессы. Следовательно, математическая модель — как бы математический «заместитель» реального объекта или процесса. Алгоритм — это последовательность действий, приводящая к решению задачи.
Особенности формульных методов. В основу формульных методов положено использование готовых аналитических (расчетных) выражений, полученных в «явной», «замкнутой» форме. К этой категории относятся формулы многих учебников. Они часто были предназначены для «ручного» счета.
Формульный метод широко распространен потому, что он соответствует особенностям человека, у которого сильно развито образное мышление. Известно, что человек эффективно и быстро мыслит образами, например за секунды может оценить возраст
109
собеседника, а на ЭВМ эта задача решается долго. Аналитические выражения — это своеобразные математические образы зависимостей. Вместе с тем вычисления человек делает плохо, медленно (1—2 операции в секунду) и с ошибками. ЭВМ выполняет до 10 млн. и больше простейших операций в секунду. Если готовой программы нет, то использование ЭВМ при формульном методе может увеличить затраты труда по сравнению с «ручным» счетом или расчетом на микрокалькуляторе. На начальном этапе применения ЭВМ преобладал формульный метод. Готовые программы накапливали на магнитных носителях или в виде пакетов перфокарт (или перфорированных лент). В период, когда основными были средние ЭВМ, сосредоточенные в ВЦ, и преобладал пакетный режим, это было оправдано. Но следует иметь в виду, что при такой работе на ЭВМ пользователь приобретает мало знаний по специальности, так как не может вникнуть в расчетные выражения и, по сути, не овладевает ВТ. В настоящее время, в связи с прогрессирующим преобладанием ПЭВМ ситуация с использованием формульных методов изменилась. Пользователь получил прямой доступ к ПЭВМ, может освоить программирование (например, на языке Бейсик) и самостоятельно составлять простые программы и отлаживать их или, при затруднении, привлекать профессиональных программистов. При этом он «общается» с формулой, т. е. вникает в суть расчетов, выводит результаты на дисплей, получая возможность сразу оценить и осмыслить их, может повторить расчеты многократно, изменяя вводимые данные и выявляя этим важные закономерности. Если формулы сложные, составление алгоритмов и программ следует поручать профессиональному программисту.
При применении формульных методов на ПЭВМ в учебном процессе можно значительно повысить их значимость, введя в программу элементы АОС, когда на дисплее появляются вопросы, имеющие познавательный или контролирующий характер и требующие осмысления и продуманных ответов. При этом расчет совмещается с контролем и обучением.
Особенности численных методов. Основное преимущество численных методов состоит в том, что они дают новые возможности как в части расширения круга и сложности задач, которые можно решать расчетно, так и в части обеспечения большей точности исследований и расчетов, так как не требуется получения расчетных формул в замкнутом виде, при котором обычно делаются допущения и приближения.
Как известно, получение аналитических решений для многих задач часто не осуществимо.
Большое значение для понимания сущности численных методов и их применения имеет быстро прогрессирующая область математики, а именно «вычислительная математика». В ней рассматривается использование численных методов для решения
ПО
фундаментальных математических задач: численное решение нелинейных уравнений, систем линейных уравнений, систем обыкновенных дифференциальных уравнений, численное интегрирование функций, приближение функций полиномами и т.п. [4.1].
Используя методы вычислительной математики, удается получить дискретные модели и затем на ЭВМ осуществляется численное решение. Следовательно, численные методы дают большие новые возможности.
Для иллюстрации сказанного рассмотрим наглядный пример. При расчете нестационарных тепловых процессов в конструкциях РЭС используется метод эквивалентных электрических цепей. Возьмем для наглядности простой пример, когда эквивалентная цепь представляет 7?С-звено. Емкость С символизирует теплоемкость конструкции, сопротивление 7? — тепловое сопротивление от источника тепла к воспринимающей тепло конструкции, UBX(t) —температуру источника тепла, Uc(t)—температуру конструкции.
Для рассматриваемой цепи можно составить уравнение, т. е. математическую модель:
Н.1)
Если функция £7ВХ (г)— простая, например единичный скачок, то задача решается аналитически или «формульно»: CJBX (z) = 1 (г), тогда
Uc(t)= 1 -exp {-t IRC}.
Если воздействие имеет сложную форму, то для отклика получить аналитическое выражение не удается. Исходя из аналоговой математической модели, используя методы вычислительной математики, а именно, решение дифференциальных уравнений, можно сформировать дискретную численную модель, тогда
Uc(nAt + M) = (l-^\uc(nM)+~UBX(nM). (4.2)
: Отклик рассматривается последовательно через интервалы времени Az, и уравнение (4.2) решается численно.
Основная особенность алгоритма вычислений состоит в том, что он циклический, рекуррентный, и результат может быть только численный, причем для любого вида воздействия UBX(t\, которое при расчетах берется последовательно, начиная с п = 6. Чем точнее хотим получить результаты, тем больше надо взять точек и меньше интервал А?.
Таким образом, численные методы позволяют подвергать расчету и исследованиям такие устройства и системы, которые не поддаются «формульному» расчету и исследованиям. .
111
Важно отметить, что численные методы лежат в основе расчета и анализа дискретных и цифровых устройств. Выражения, полученные для цифровых (дискретных) устройств, приводят к дискретным математическим моделям. Например, для расчета АЧХ цифрового (дискретного) нерекурсивного фильтра получено выражение:
Х(со) =
' N„ \ 2 / N,,
£ Z>rcosco/7B6 1 +1 £ br sin согСв6
,r=0 / \r=0
2 “11/2
(4.3)
где br — коэффициенты усиления в отводах; /вб— интервал выборки (дискретизации); Ап— число элементов памяти.
Это дополнительно увеличивает значимость и перспективность численных методов.
Особенности имитационного моделирования. Используя имитационное моделирование, удается с применением ВТ вычислительно решать наиболее сложные задачи, метод широко используется в АСНИ. Это относится, например, к таким сложным задачам, как анализ технологических многосвязанных систем, исследования сетей и надежности, решение сложных статистических задач. Основная особенность имитационного моделирования состоит в том, что исходя из условий задачи «проигрывают» работу системы, как бы многократно ее воспроизводя по частям. При этом задача получения единого математического выражения не ставится, но тогда расчет приходится повторять многократно, как бы имитируя действие исследуемого объекта и подвергая результаты статистической обработке. Все это обычно приводит к большим затратам машинного времени.
Для выявления сути имитационного моделирования рассмотрим очень простой пример анализа технологического рассеивания резонансной частоты LC-контура. Для получения имитационной модели отметим, что в реальных условиях L и С—случайные величины, имеющие рассеивание по каким-либо законам и’(£) и и’(С). Важно знать резонансную частоту со и ее рассеивание w(co). Известно, что со = (£С)~0,5. Следовательно, <в — тоже случайная величина. Оказалось, что аналитически задачу решить невозможно. При любых законах распределения для L и С не удается аналитически найти закон распределения частоты. Конечно, задачу можно решить экспериментально, но это дорого и долго. Вычислительными средствами с применением имитационных моделей задача решается просто. Для этого следует использовать какие-то у-е значения Lj и С7, но брать их не как попало, а так, чтобы эти числа в массе своей отображали законы распределения и'(С) и и’(С). Вычисления дают со,. Можно утверждать, что масса значений хв7 будет отображать функцию распределения этой величины. Следовательно, в данном примере имитационная модель включает выражения для со и функции распределения для
112
и'(С) и w(L). При имитационном моделировании нужно выполнить сотни и тысячи расчетов. Это не сложно, так как есть программы генерации случайных чисел по разным законам. Массив значений О; следует обработать так, как принято для натурных экспериментов при получении гистограммы. Далее выбирается и'м(о)), анализируется по критериям согласия и задача решена.
Как видно, при решении задачи многократно имитируется работа контура с выявлением его резонансной частоты.
Подчеркнем важную особенность имитационного моделирования, которая наглядно видна в рассмотренном примере. Очевидно, что, проводя вычисления, как бы ставят вычислительный эксперимент, осуществляя то, что выполнялось бы, если ставится натурный эксперимент с измерением со,- на большом количестве контуров, изготовленных со случайным выбором Lj и из совокупности, отображающей распределение их значений. Поэтому такие методы часто определяют как «машинный» или «вычислительный» эксперимент.
4.5. ЦИФРОВЫЕ РЭС И ИХ ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
Цифровые РЭС. Вопрос о цифровой аппаратуре — сложный и комплексный. Он решается совместно специалистами по системам, схемам, конструкции и технологии. Переход на цифровую аппаратуру существенно повлиял на конструкцию, поэтому конструктору РЭС полезно иметь представление о ее общих особенностях.
Факторы, определяющие развитие и расширение применения цифровых РЭС (в том числе микропроцессорных): совершенствование информационных радиоэлектронных систем и средств, их усложнение, повышение требований к точности и стабильности; развитие микроэлектроники—создание БИС и СБИС, повышение их быстродействия; развитие вычислительной техники—создание процессоров с эффективной структурой, требующих небольшое количество выводов для внешних соединений [1.5].
Сложность РЭС достигла такого уровня, когда необходимо оперативно изменять их характеристики, адаптируясь к изменившейся обстановке и условиям, и когда управление их функционированием должно быть автоматизировано. Использование в аналоговой аппаратуре электромеханических автоматов приводило при конструировании к существенным техническим трудностям из-за их значительной массы и стоимости, недостаточной надежности и высоких требований к точности механической обработки. Электронные аналоговые автоматы решали ограниченный круг задач и не давали высокой точности. Диагностика сложных РЭС и поиск отказов потребовали измерения многих
113
параметров и сложной обработки их результатов, при которой человек с трудом справляется с задачей.
Повышение требований к помехоустойчивости и точности передачи и извлечению информации привело к применению сложных сигналов (например, ШПС). Аналоговые фильтры для таких сигналов оказываются сложными и очень критичными к точности и стабильности их элементов. Кроме этого, возросли требования к точности преобразования формы сигналов.
Аналоговая аппаратура не могла удовлетворить многим возросшим требованиям и стал неизбежен переход к цифровой аппаратуре, которая позволяла в комплексе решить многие задачи обработки и автоматизации управления, но имеет ту особенность, что, будучи построена на логических элементах, она по количеству таких схемных элементов, как транзисторы, диоды, резисторы и т. п. в сотни и тысячи раз превышает то, которое необходимо для аналоговой аппаратуры, выполняющей схожие функции [1.2, 4.4, 4.8].
Следует различать цифровые радиотехнические системы и цифровые РЭС (аппаратуру). В цифровых системах осуществляется передача и обработка информации, или имеющей по своей природе цифровую форму (например, буквенный и цифровой текст), или, если непрерывное сообщение (например, человеческая речь), преобразованной в цифровую форму (цифровой код при импульсно-кодовой модуляции — ИКМ). Процесс преобразования рассмотрен в [1.5]. Цифровые системы при передаче с ИКМ непрерывных сообщений позволяют уменьшить влияние неидеальности аппаратуры на погрешности передачи информации. Принципы действия и особенности таких систем рассмотрены в [1.5] и на них не останавливаемся.
В аналоговых РЭС, содержащих L, С, R, транзисторы, диоды и т. п., осуществляются определенные аналоговые преобразования сигналов, имеющих характер токов и напряжений. Производится сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование и накопление, нелинейные преобразования и др. Но известно, что эти операции и другие, значительно более сложные, могут выполнять-. ся не над непрерывными значениями токов или напряжений, а над числами, дискретно по времени и по значениям, отображающими эти токи и напряжения. В РЭС, конечно, должны действовать не числа, т.е. не сочетания символов (например, графических, цифровых — 0,1... или буквенных — А, Б... и т. д.), а сочетания или кодовые комбинации различимых цифровых сигналов (будем для отличия называть их вторичными, внутриаппаратурными). В этих сочетаниях (кодовых комбинациях) отображаются значения, принимаемые сигналом, помехой или их смесью в определенные (дискретные) моменты времени, следующие с интервалом выборки ta6, в который должна уложиться вся кодовая комбинация.
Обычно используются двоичные символы 0 и 1 и соответс- < вующие им двоичные сигналы. При этом наличие тока (напряже-114
ния) не меньше определенного значения рассматривается как один символ 1 и отсутствие тока (напряжения), точнее его значение, не превышающее определенной величины, рассматривается как другой символ 0. Например, в логических микросхемах типа ТТЛ символу 1 соответствует напряжение Ut, уровень которого не меньше 2,4 В, и символу 0 — напряжение Uo, уровень которого меньше 0,3 В. Процесс преобразования осуществляется в специальных микросхемах (или в части микросхемы), называемых аналого-цифровыми преобразователями — АЦП.
Если требуется обратное преобразование из цифровой формы в аналоговую, то применяют другие микросхемы — цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Аппаратура, в которой процесс обработки, преобразования, генерации сигналов осуществляется в цифровом вычислителе над кодовыми многоразрядными комбинациями, их отображающими, называется цифровой. В цифровой аппаратуре также используются ИС, транзисторы, резисторы и т. п., но в других (чем в аналоговом) режимах, когда они образуют логические элементы, выполняющие над сигналами логические функции «И», «ИЛИ», «НЕ» и их сочетания. Поскольку логические функции устойчивы к изменениям параметров элементов (по технологическим причинам, во времени, при влиянии температуры), электрических соединений (проводников) и т. п., то цифровая аппаратура позволяет получить неизмеримо более высокую точность (за счет увеличения количества разрядов) и стабильность преобразования сигналов, а также обеспечить более высокую сложность и разнообразие этих преобразований, чем аналоговая.
Последовательность преобразований в цифровой аппаратуре можно записать в следующем виде
Г т Л
. х (^)-->хкв (у7вб)~>< У. Уя/ф)/ >
: ‘ 1 (4.5)
Г т ) Г т ~1
► На\ z М'Ц =< z у,е,.(/)), (.1=1 JJ 0=1 Ji
где л'(/)—сигнал или его смесь с помехой, являющийся в общем случае случайным процессом; х(у7вб)— выборка случайных значений из х(г), взятая через /в6,
j—номер выборки; хввЦ7вб)— квантованная выборка на 2" дискретных значений ( т
с интервалом дискретизации Дхвв; < У *5^,(0 f—кодовая комбинация из т циф-(1 = 1 )
ровых вторичных сигналов, отображающая значение xks(j7b6) и их последовательность; т — число разрядов в кодовой комбинации; S^t)— различимый дискретный сигнал с номером к. который случайно выпадает при преобразовании в АЦП и сигнал случайно принимает одно из двух значений Sxll(t) и SxOi(t); i—номер цифрового сигнала в кодовой комбинации.
115
Длительность Ts цифровых сигналов 5'х1 (/) и 5х0(/) должна быть выбрана так, чтобы в интервал выборки 1вб укладывались т таких сигналов; Н — цифровой алгоритм обработки кодовых комбинаций, цифровых сигналов, реализуемый ( т ")
в вычислителе и зависящий от требуемых преобразований; < £ Svn,f — li= i J j
цифровой сигнал, получаемый на выходе вычислителя в у-й такт выборки.
Для краткости эти преобразования можно записать в виде:
(4.6)
Как видно, в цифровой аппаратуре или в цифровом специализированном вычислителе происходят сложные преобразования и обработка цифровых (вторичных) сигналов, в принципе отличающаяся от того, что происходит в аналоговых РЭС.
Возможности, которые дает цифровая аппаратура в сопоставлении с аналоговой, приведены в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Возможности цифровых систем и аппаратуры
РТС РЭС Влияние неидеаль-носги РЭС на точность Области использования
Аналоговая Аналоговая. Сравнительно не- большое количество элементов Значительное Простые устройства систем радиосвязи, радионавигации, радиолокации с нежесткими требованиями к точности и помехоустойчивости
Аналоговая Цифровая. Значительно большее количество логических и схемных элементов Незначительное. Уменьшается при увеличении числа разрядов (формата чисел) Аналоговые системы при жестких требованиях к точности и помехоустойчивости
Цифровая Аналоговая Заметное Системы передачи информации с повышенной точностью
Цифровая Цифровая Незначительное. Уменьшается при увеличении числа разрядов (формата чисел) Системы передачи информации, радионавигации и радиолокации при высоких требованиях к точности и помехоустойчивости, введении адаптации к изменяющимся условиям и сложной вторичной обработке информации
При переходе от аналоговых РЭС к цифровым возникает ряд проблем [1.5, 4.10]:
а) формирование алгоритмов цифровой обработки, приспособленных для реализации в цифровых вычислителях, входящих в состав РЭС и обеспечивающих необходимые преобразования сигналов, вытекающие из принципа действия РЭС;
б) определение рационального сочетания в РЭС аналоговых и цифровых блоков и устройств, оценка роли и места цифровой
116
реализации РЭС (или их частей) с учетом положительных свойств и ограничений, присущих им;
в) учет влияния конечного количества разрядов в цифровых РЭС на конечную точность характеристик цифровых устройств РЭС. Причем отклонения характеристик связаны только с количеством разрядов и не изменяются при наличии технологических отклонений, во времени и при внешних воздействиях, что в принципе отличает их от нестабильностей, которые характерны для аналоговых РЭС;
г) учет действия специфических для цифровой аппаратуры помех, а именно шумов квантования, которые возникают в АЦП, и усечений (округлений), которые возникают при отбрасывании части младших разрядов при выполнении вычислений. Эти помехи зависят от количества разрядов;
д) вытекающая из пп. в), г) задача выбора количества разрядов; при их увеличении действие факторов, указанных в этих пунктах, снижается, но увеличивается сложность цифровой аппаратуры (больше микросхем, логических элементов и операций), а также ужесточаются требования к быстродействию логических элементов;
е) проблема обеспечения быстродействия, которое должно позволить выполнить сложные вычисления за короткое время /„5, определяемое принципом действия РЭС (работа в реальном масштабе времени). В части повышения рабочих частот цифровая аппаратура имеет значительно более жесткие ограничения, чем аналоговая. Это является важнейшим недостатком и ограничением цифровой аппаратуры, определяющим невозможность ее применения в ряде случаев в высокочастотных блоках (устройствах) РЭС. Это жесткое требование в принципе отличает вычислители цифровой аппаратуры от универсальных ЭВМ, для которых быстродействие полезно, но не критично, так как вычисления и другие операции, выполняемые универсальными ЭВМ, могут происходить не в реальном масштабе времени;
ж) изменение средств и методов контроля, наладки, диагностики. Цифровая аппаратура, особенно основанная на МПУ, регулируется в производстве, контролируется и диагностируется в эксплуатации с использованием в принципе других средств и методов, чем аналоговая. Для наглядности сопоставление дано в табл. 4.5;
з) проблема выбора принципа реализации цифровой аппаратуры:
К1—на программируемой логике с применением универсальных ЭВМ, с вводом в их память программы, составленной в соответствии с алгоритмом обработки (такой вариант широко используется также для исследований аналоговой аппаратуры, с заменой аналоговых блоков на их цифровые модели, и цифровой аппаратуры методами имитационного моделирования);
117
Таблица 4.5. Особенности контроля цифровой аппаратуры
Аналоговая аппаратура
Цифровая аппаратура
Работоспособность контролируется по показателям приборов, отображающих значение токов, напряжений, форму сигналов и т. д.
Работоспособность может контролироваться в процессе функционирования периодически и непрерывно
При проектировании определяются точки контроля и состав измерительных приборов
Производственный, эксплуатационный персонал воспринимает информацию с приборов контроля, обрабатывает ее и принимает решение. При значительном усложнении аппаратуры эти операции частично автоматизируются Подготовка производственного и эксплуатационного персонала — принцип действия РТС и РЭС, знание режимов и взаимосвязи показаний приборов и отказов, электрической схемы, схем размещения и соединений Восстановление часто сводится к подстройке, подрегулировке и т. п.
Изменение токов и напряжений часто не позволяет определить работоспособность и диагностировать отказ
Для контроля работоспособности обычно функционирование прерывается (тест)
Дополнительно формируется тест, метод его записи, прогона и использования для диагностики Производственный и эксплуатационный персонал вводит тесты, обработка и принятие решений автоматизированы
Подготовка производственного и эксплуатационного персонала — цифровые алгоритмы, дискретная математика, программирование
Восстановление обычно предусматривает замену отказавших ИС, РЭМ1, РЭМ2
К2 — на программируемой логике с применением специализированных программно-управляемых вычислителей, основанных на микропроцессорах;
КЗ — на схемной логике, путем выбора набора логических элементов или серийных универсальных интегральных микросхем малой и средней степени интеграции и их соединения по соответствующей схеме;
К4 — на схемной логике путем создания специализированной заказной БИС (СБИС).
Каждый из вариантов имеет свои плюсы и минусы. Вариант К1 позволяет создать вычислитель, работающий по очень сложной программе, но при этом универсальная ЭВМ и ее периферийное оборудование используется не в полной мере, могут быть большие потери в стоимости, габаритах и быстродействии. Как возможное построение РЭС этот вариант используется редко, но он имеет большое значение для моделирования на ЭВМ. При сложных алгоритмах для его реализации полезно привлекать специалистов по ВТ. Вариант К2 позволяет получить компактные вычислители, но требует специального проектирования на основе крупносерийных микропроцессорных наборов и сложного, с привлечением специалистов по ВТ, решения вопросов программирования и быстродействия. Вариант КЗ удобен при простых алгоритмах, при сложных алгоритмах требуются сотни и тысячи корпусов микросхем. Вариант К4 дает очень малогабаритные спецвычисли-118
тели, основанные на схемной логике с максимально возможным быстродействием (при определенной технологии), но обычно требует заказа специальных БИС (СБИС), потребность в которых может быть ограниченной, что иногда делает нецелесообразным их выпуск на специализированных предприятиях. Остановимся более подробно на варианте К2.
Аппаратура на программируемой логике с применением микропроцессоров перспективна и сильно влияет на конструкцию. Для краткости такие РЭС будем называть «микропроцессорными».
Программная реализация цифровых РЭС. Прогресс в развитии цифровой аппаратуры зависит от успехов микроэлектроники. Основное направление в развитии микроэлектроники длительное время было сосредоточено на повышении степени конструктивнотехнологической интеграции. Но при повышении степени интеграции проявилось противоречие конструктивно-технологической интеграции, состоящее в том, что по мере увеличения NTp уменьшалась стоимость и масса транзистора (при условии если «тиражность» достаточная), но сужалась область применения и универсальность конкретной БИС, увеличивалось количество требовавшихся разновидностей и сокращалось потребное количество каждой из разновидностей. Это подробно рассмотрено в гл. 2. Причем затраты на проектирование и освоение ИС по мере увеличения NTp значительно возрастают.
Когда была освоена степень интеграции 'порядка 105—106 и более (БИС, СБИС), оказалось возможным создать на одном или нескольких кристаллах (корпусах), встраиваемые программируемые вычислители («микропроцессоры»), позволяющие реализовать сложные алгоритмы. Важно то, что одновременно происходило повышение быстродействия, так что на элементарную операцию стало затрачиваться время меньше одной наносекунды. Это позволило вести обработку с такой скоростью, когда во многих случаях она оказывалась достаточной для выполнения сложных числовых преобразований в реальном масштабе времени за интервал ta6.
Микропроцессор — это процессор, выполненный на одной или нескольких микросхемах (чем и определяется термин «микро»), составляющих микропроцессорный комплект (МПК) [4.9].
Совокупность БИС из МПК, дополненных БИС памяти (ПЗУ, ППЗУ, ОЗУ), соединенных между собой и обычно конструктивно объединенных на плате, образует микропроцессорные устройства (МПУ).
Микропроцессорное устройство является законченным конструктивно-технологическим и функциональным устройством, способным выполнять разнообразные функции, задаваемые программой, записанной в память, МПУ встраивается в аппаратуру и не имеет самостоятельного эксплуатационного назначения.
119
Микропроцессорные БИС, а также БИС памяти выпускаются в массовом количестве, поэтому хорошо технологически отработаны, имеют высокую надежность и низкую стоимость, т. е. в них в полной мере реализуются все преимущества микроэлектроники, связанные с высокой интеграцией. Используются они для разных применений, включая ЭВМ (микроЭВМ), РЭС, технологическое оборудование и т. п.
Иногда выделяют три разновидности микропроцессоров: мик-ропрограммируемые секционные микропроцессоры, обеспечивающие наибольшее быстродействие (К589, К1804 и др.); микропроцессоры с фиксированными командами, имеющие меньшее быстродействие, но более просто программируемые (К 1810 и др.); однокристальные или «сигнальные» микропроцессоры, включающие в свой состав также ЦАП, АЦП, ПЗУ и др. Они просты в сборке (по сути, в одном корпусе все МПУ) и программировании, но имеют наименьшее быстродействие («Рената»),
Микропроцессорное устройство можно включать в состав элементной базы РЭС, они, выполняя заданные частные функции, имеют определенную конструкцию, и конструктор, создавая РЭС, не подвергает их дальнейшему расчленению. Это или корпус БИС (однокристальные МПУ), или плата с несколькими БИС. Они не предназначены для самостоятельного эксплуатационного применения и не являются СЧМ [4.10].
Микропроцессорные устройства должны рассматриваться и применяться совместно с обычными ИС и ГИС, электрорадиоэлементами и т. п. Из вышеизложенного вытекают их особые свойства, в принципе отличающие их от других элементов. У всех элементов выполняемые функции зависят от схемы и конструкции. Например, интегральная схема операционного усилителя включает в свой состав транзисторы, соединенные по определенной схеме, что отображается в их конструкции. Можно привести много других примеров.
В МПУ схема соединений на плате (или в самой БИС) и конструкция остаются неизменными. Функции, которые выполняет МПУ, определяются программой, записанной в ПЗУ, и не связаны со схемой и конструкцией. Как видно, в перспективе открывается возможность создавать сложные РЭС из элементов, унифицированных по схеме, конструкции и технологии изготовления, с разными функциями, определяемыми записанной программой. Такая глубокая унификация позволит автоматизировать проектирование, подготовку производства и производство, повысить качество, упростить проблему ремонта, так как можно иметь ограниченное количество запасных МПУ и, программируя их в эксплуатации, придавать им требующиеся функции [4.4, 4.10].
При этом полностью изменится характер проектирования, оно состоит в выборе процессора (МПУ) и в разработке алгоритма и программы. Создание вычислителя (МПУ), разработку метода программирования и записи программы в ПЗУ следует возлагать 120
на специалистов по ВТ. Для конструкторов РЭС остается компоновка РЭС в целом с обеспечением взаимосвязи МПУ с другими элементами конструкции, обеспечение ремонтопригодности, технологичности сборки и т. п.
В РЭС следует широко использовать МПУ, поэтому стоит задача выявления того, где и как полезно их применять, в сопоставлении с другими методами реализации РЭС и их частей, в зависимости от свойственных им особенностей. Разработчикам важно иметь представление о том, в чем состоят преимущества МПУ по отношению к другим решениям.
Полезно рассмотреть четыре основных варианта: аналоговая аппаратура, цифровая на схемной логике (при реализации на ИС средней степени интеграции — СИС и на БИС) и цифровая на программируемой логике. В качестве основных особенностей следует иметь в виду: требования к точности, с которой должны выполняться преобразования сигналов; сложность алгоритма обработки, которая в цифровой РЭС может быть оценена по количеству логических операций или количеству умножений и сумм; области частот, в пределах которой может происходить работа.
Оценивать варианты следует по аппаратурным затратам (АЗ), понимая под ними стоимость и массу.
Конечно, оценка может быть дана только качественная и ориентировочная, но она также полезна, так как показывает основные закономерности.
На рис. 4.1 показана зависимость аппаратурных затрат от требований к точности 5, где 5 — допустимое относительное отклонение, при алгоритме средней сложности и частотах (быстродействии), допустимых для микропроцессора. Кривые даны для аналоговой аппаратуры Г, цифровой — на схемной логике на СИС 2 и на БИС 4; цифровой — на программируемой логике 3 (рис. 4.1—4.3). j ,
Алгоритмы:
Простой Средний Сложный
Рис. 4.1. Зависимость аппаратурных затрат от требований к точности
Рис. 4.2. Зависимость аппаратурных затрат от сложности алгоритма обработки для
121
кГц
Рис. 4.4. Зависимость между областью частот и сложностью алгоритма
Рис. 4.3. Зависимость аппаратурных затрат от области частот
На рис. 4.2 показана зависимость аппаратурных затрат от сложности алгоритма (простой, средний, сложный) при допустимых частотах и высоких требованиях к точности для тех же случаев. Он показывает увеличение целесообразности применения МПУ при усложнении алгоритма.
На рис. 4.3 показана зависимость аппаратурных затрат от области частот, при высоких требованиях к точности и алгоритмам средней сложности для тех же случаев.
На рис. 4.4 показана зависимость для МПУ между областью частот и сложностью алгоритма. Кривая 1 для наиболее быстродействующих микропроцессоров и 2—для микропроцессоров с фиксированными командами. При работе в области низких частот применение МПУ целесообразнее при усложнении алгоритмов.
Приведенные результаты показывают, что уже в настоящее время для многих условий по сложности алгоритма, области частот и требований к точности, МПУ дают значительные преимущества и их следует широко применять.
Приведенные зависимости показывают, что наибольшие возможности дают БИС (СБИС). Но это только при условии, что требуемый для данного вида РЭС объем выпуска достаточно большой. Однако во многих случаях необходимый объем выпуска БИС (СБИС) оказывается много меньше того, при котором проектирование и освоение БИС целесообразно по экономическим и организационным соображениям. Поэтому часто приходится применять более универсальные, но менее эффективные решения на МПУ, а также и на СИС.
В последние годы получили быстрое развитие «сквозные» САПР для БИС, что позволяет значительно уменьшить объем выпуска, при котором он целесообразен по экономическим, организационным и техническим причинам. Особенно значительно снижение допустимой «тиражности» для «матричных» «полузаказ-ных» БИС. Они предусматривают проведение заказчиком (изгото-122
вителем РЭС) дополнительной доработки, позволяющей приспособить их к конкретному устройству. Как предполагают, допустимое количество таких доработанных БИС снизилось до тысячи экземпляров и продолжает снижаться. Следовательно, область применения МПУ несколько сокращается.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Дайте общую характеристику целей и причин широкого применения вычислительной техники в конструировании РЭС.
2. Назовите основные области использования ВТ в конструировании РЭС и дайте их краткую характеристику.
3. Какие классы ЭВМ, почему и для каких целей целесообразно использовать в конструировании РЭС?
4. В чем состоят особенности, положительные стороны и ограничения применения формульных методов?
5. В чем состоят особенности, положительные стороны и ограничения применения численных методов?
6. Что такое имитационное моделирование и машинный эксперимент, каково их назначение и применение?
7. Разъясните смысл понятий «микропроцессор» и «микропроцессорное устройство (МПУ)».
8. В чем состоит отличие МПУ от микроЭВМ?
9. В чем причины расширяющегося применения цифровой аппаратуры и МПУ в РЭС?
10. В чем состоят преимущества МПУ по сравнению с обычными БИС?
11. Каковы причины и особенности расширяющегося применения цифровых принципов построения РЭС?
Глава 5. КОНСТРУКЦИЯ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК —МАШИНА»
5.1. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК —МАШИНА»
Система «человек — машина». Согласно ГОСТ система «человек — машина» (СЧМ) есть система, состоящая из человека-оператора и «машины» или совокупности технических средств, посредством которых он осуществляет трудовую деятельность.
Функционирует СЧМ по определенному алгоритму, т. е. она имеет логическую организацию функционирования, состоящую из совокупности операций.
Под человеком-оператором следует понимать человека, ведущего трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с совокупностью технических средств в условиях
123
соответствующей внешней среды, через посредство воспринимаемой им информации и органов управления, на основе представлений о целях и задачах трудовой деятельности.
При управлении «машиной» человек обязательно основывается на организованном в соответствии с определенными правилами отображения состояния СЧМ, с учетом внешней среды и способов воздействия на них.
В процессе функционирования СЧМ осуществляется достижение поставленной цели и ее основным свойством является эффективность, т. е. способность достижения этой цели в данных условиях с определенным качеством при минимальных затратах труда и материалов. Эффективность и качество функционирования СЧМ определяются функционированием «машины», деятельностью человека-оператора и их согласованностью.
Проектирование «машины» должно вестись на основе изучения деятельности и психофизиологических возможностей человека-оператора, а также путей и методов согласования «машины» и оператора и вытекающих из этого требований к конструкции «машины».
Эти вопросы являются предметом изучения области науки и техники, которая получила название «инженерная психология» [5.1].
Инженерная психология изучает объективные процессы взаимодействия человека и техники для использования их результатов при проектировании, создании и эксплуатации техники. Она рассматривает деятельность человека и функционирование машины во взаимодействии, в том числе в части информационного взаимодействия, при ведущей роли человека.
Психологические стороны науки «инженерная психология» направлены на изучение психических процессов и свойств человека, в том числе в части восприятия, обработки и накопления информации, принятия решений и осуществления действий. На этой основе формируются требования к технике.
Технические стороны науки «инженерная психология» направлены на изучение и формирование принципов, правил и рекомендаций для проектирования техники с учетом психологических, физиологических и эргономических особенностей человека. Сказанное с определенными отличиями относится к неавтоматизированной, автоматизированной и автоматически действующей технике.
Деятельность оператора в СЧМ складывается из совокупности его действий. Действие — суть функциональный элемент деятельности, имеющий сознаваемую человеком цель. Деятельность оператора имеет структуру, т. е. пространственно-временную организацию выполнения алгоритма его деятельности, а также алгоритм—логическую организацию его деятельности, состоящую из совокупности программы действий и воспринимаемой информации, сигналов, образов и т. п.
124
Совокупность свойств человека-оператора, влияющих на эффективность СЧМ, можно охарактеризовать как человеческий фактор СЧМ. Важнейшее значение имеет качество деятельности и действий человека-оператора, которое характеризуется результатом выполнения деятельности и действий, определяемым по критерию достижения цели, с учетом показателей точности и своевременности. При этом сказывается работоспособность оператора, т. е. его свойство, определяемое состоянием физиологических и психических функций и характеризующее его способность выполнять определенную деятельность с требуемым качеством и в течение требуемого времени. Влияет также его напряженность, определяемая интенсивностью физиологических и психических процессов, обеспечивающих выполнение деятельности, в том числе в части темповой и эмоциональной напряженности.
Человек-оператор не может идеально осуществлять деятельность в системе СЧМ, ему свойственны отказы и ошибки, заключающиеся в невыполнении предписанных действий. Эти свойства оператора можно охарактеризовать как надежность его деятельности, показывающую способность безотказно и безошибочно выполнять деятельность в течение определенного времени при заданных условиях.
Следует иметь в виду, что человек-оператор имеет значительные ограничения и недостатки в части скорости восприятия и обработки информации, принятия решений и выполнения действий, работоспособности, напряженности и надежности, что приводит к стремлению автоматизировать многие процессы и операции управления техникой. Однако при этом техника усложняется, и человек-оператор не может быть исключен полностью, так как всегда остаются за ним развертывание, налаживание, контроль, ремонт и т. п. Причем в этой части его функции могут даже усложниться, но требования к скорости, работоспособности, напряженности и надежности могут быть смягчены.
Стремление к автоматизации определяется также экономическими факторами, так как привлечение оператора к управлению техникой связано со значительными затратами. Кроме того, автоматизация управления техникой бывает необходима из-за того, что окружающие условия не соответствуют допустимым для человека. Часто автоматизация обуславливается стремлением уменьшить суммарную массу (например, в авиации).
Деятельность человека в СЧМ требует его профессиональной подготовки — свойства человека-оператора, определяемого совокупностью специальных знаний, умений и навыков, обуславливающих его способность выполнять определенную деятельность с определенным качеством. Обеспечение профессиональной подготовленности оператора требует его обучения и тренировки,
125
которые связаны с затратой средств и времени, а также выдвигают задачи профессионального отбора.
Конструкция РЭС и СЧМ. Радиоэлектронные средства и их конструкция входят в СЧМ. Действительно, часто функционирование сложной аппаратуры требует непрерывного участия специального человека-оператора. В других случаях даже при автоматизированном функционировании РЭС профессионально подготовленный человек-оператор может привлекаться для развертывания, налаживания, контроля и ремонта РЭС. Применительно к РЭС существует также такая категория операторов, как пользователи бытовой радиоаппаратуры, которые практически не имеют профессиональной подготовки. Очень важно то, что эффективность СЧМ, требования к профессиональной подготовленности оператора, его работоспособности и напряженности, затраты труда и времени на развертывание, управление функционированием, контроль, ремонт и т. п., в основном определяются конструкцией РЭС. Причем в связи с непрерывным усложнением РЭС и ограничениями, присущими человеку оператору, обеспечение эффективности СЧМ становится все более и более трудной задачей. Принадлежность РЭС к СЧМ является основным признаком отличия аппаратуры от элементной базы.
5.2. ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР В ЭКСПЛУАТАЦИИ И КОНСТРУКЦИЯ РЭС
Человек-оператор и эксплуатация РЭС. В эксплуатации РЭС всегда участвуют операторы. При всем многообразии этого участия общим остается то, что они воспринимают, обрабатывают, накапливают информацию, принимают решения и осуществляют действия. Свойства и возможности оператора, в первую очередь информационные, имеют большое значение и должны учитываться при проектировании и эксплуатации, они определяют роль человека в РЭС и влияют на возможности систем.
Информация о сообщении, выдаваемом РЭС, и о состоянии РЭС извлекается с использованием технических средств, обрабатывается в соответствии с принятым уровнем автоматизации и отображается средствами отображения информации (СОИ) — электронно-лучевые и стрелочные индикаторы (указатели), табло, измерительные приборы и т. п. Отображаемую на СОИ информацию оператор воспринимает, обрабатывает и по ней формирует «образ сообщения» или «образ состояния». Образ сравнивается с «эталоном», хранящимся в памяти, и затем принимается решение, т. е. мысленный план действий. Принятое решение реализуется органами движения и речи — в виде воздействия на органы управления и индикации, записи, выдачи речевой команды, включения дополнительных средств, действия по повторению наблюдения или выполнению новых наблюдений и т. п.
126
Очевидно, что используемые методы и средства отображения информации, требования к ее обработке и к органам, используемым при выполнении управляющих действий, должны соответствовать эргономическим возможностям человека, которые характеризуются совокупностью параметров: гигиенических, антропометрических, физиологических, психологических и психофизиологических [5.1].
Большое значение проблемы восприятия, обработки и накопления информации имеют также в теории обучения, профессионального отбора, тренировки и т. п. человека-оператора.
Информационное взаимодействие человека и «машины» можно рассматривать, не углубляясь в психические и психофизиологические процессы, на основе информационно-кибернетических понятий, таких как количество, скорость, время хранения, объем информации и алгоритмы ее обработки [5.2].
Операции, выполняемые оператором с РЭС. Конкретизируем теперь операции, выполняемые с РЭС в эксплуатации.
Основные операции, выполняемые оператором при подготовке к применению:
упаковка, транспортирование к месту установки и применения; развертывание на месте и установка на объекте, в процессе которых оператор осуществляет размещение, крепление и соединение между собой частей РЭС;
включение и определение работоспособности, пригодности для применения по назначению.
При выполнении этих работ оператор руководствуется документацией. В процессе подготовки РЭС выявляются отказы и необходимость их восстановления и регулировки. Важно, чтобы конструкция РЭС обеспечивала эффективное, простое и безошибочное выполнение операций подготовки к применению. Это связано с ограничениями на массу и габариты частей, на которые разделяется РЭС при транспортировании, размещении на месте и на объекте установки, а также с наличием удобных элементов для переноса и механического крепления, электрического соединения, удобной и понятной маркировки и т. п. В ряде случаев, например для мобильных РЭС, размещаемых на автомобилях, определяющее значение имеет время и сложность развертывания, которые также в основном определяются конструкцией РЭС, например антенн, устройств питания, соединений между автомашинами.
Комплекс указанных свойств аппаратуры часто объединяют понятием эксплуатационной технологичности.
Применение по назначению предполагает выполнение оператором или автоматически следующих операций:
включение, настройка, коммутация, контроль правильности функционирования и принятие решения о возможности применения по назначению с уведомлением потребителя информации;
127
изменение режимов, перестройка и переключение (или коммутация) и т. п. при изменении ситуации или получения запроса от потребителя;
управление извлечением информации, если потребителем является человек или управление передачей информации в суперсистему;
осуществление вторичной обработки информации (пересчет координат, дешифрация и т. п.).
Далее будет показано, что часто из-за условий размещения (ракета, ИСЗ и т. п.) или из-за большой скорости поступления и обработки информации, выделение сведений и управление должны быть автоматическими.
В ряде случаев (например, носимая аппаратура), естественно все возлагать на оператора.
Если возможно и то и другое решение, то степень автоматизации должна определяться или экономическими или тактикотехническими факторами.
В процессе эксплуатации РЭС, как правило, нуждается в техническом обслуживании и ремонте (ТО и Р).
Оператор при ТО осуществляет проверку работоспособности и технического состояния РЭС. На основании полученной информации, а также информации, содержащейся в документации и накопленной в процессе обучения и опыта, он принимает решения и осуществляет действия по сохранению и восстановлению работоспособности. При контроле оператор использует контрольно-измерительную аппаратуру, в том числе встроенную, предусмотренные точки контроля и т. п. Его действия состоят в диагностировании, регулировке, смене некоторых элементов и т. п.
При ремонте оператор использует информацию из документации по ТО и Р и накопленную им при обучении и из опыта, а также результаты осмотра и диагностирования и т. п.
Обрабатывая информацию, оператор принимает решения и осуществляет действия по замене износившихся или отказавших элементов, регулировке и т. п. с проведением контроля после ремонта и проверки работоспособности. Большая часть операций, выполняемая оператором при ТО и Р, с трудом поддается автоматизации [5.3].
Типы операторской деятельности. Из вышеизложенного следует, что взаимодействие «машины» (аппаратуры) и человека предусматривает несколько типов операторской деятельности:
оператор-манипулятор. Он в основном совершает исполнительные действия, руководствуясь однозначными, предварительно усвоенными инструкциями. Основную роль в его деятельности играют механизмы сенсомоторной регуляции;
оператор-наблюдатель и контролер. Это широко распространенный тип оператора при эксплуатации РЭС (управление,
128
включение, извлечение информации, оценка работоспособности аппаратуры и т. п.). Он может осуществлять немедленное и отсроченное обслуживание. Основную роль играют не сенсомоторные действия, а восприятие информации, оперативная память и оперативное мышление;
оператор-исследователь и диагностик. Этот тип операторской деятельности применительно к РЭС характерен для технического обслуживания и ремонта. При этом сенсомоторная регуляция не играет определяющей роли, в основном используются кратковременная и долговременная память, понятийное и логическое мышление, опыт, отображенный в памяти;
оператор-руководитель. Такой тип оператора не управляет непосредственно техническими средствами, он управляет людьми.
Конечно, изложенные типы операторской деятельности не изолированы друг от друга. Деятельность реального оператора может совмещать все или часть типов операторской деятельности.
При анализе и оценке операторской деятельности всех типов основное значение имеет выявление специфики задач, которые они решают, определение быстродействия, точность и надежность решений и действий оператора, установление особенностей их подготовки.
Из вышеизложенного следует, что в своей деятельности оператор при применении РЭС по назначению, развертывании, техническом обслуживании и ремонте осуществляет восприятие, обработку и накопление информации, принятие решений и осуществление действий. Для правильного конструирования РЭС недостаточно располагать рекомендациями по конструированию РЭС как части СЧМ. Необходимо уяснить, из каких соображений они сформулированы. Для этого следует рассмотреть психологические возможности и свойства человека как основной составной части СЧМ.
5.3. ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАТОРА
Психологические составляющие деительиости. Операции, выполняемые оператором, связаны со сложной психической деятельностью. К ее составляющим относятся:
Мотивация. Мотив — это то, что побуждает человека к деятельности. Основой мотива деятельности является потребность человека, объективная необходимость в веществе, энергии и информации.
Целеполагание. Это мысленно представляемый результат или образ того, что должно быть достигнуто в результате деятельности.
Восприятие и обработка информации. При этом производится восприятие сигналов физических носителей информации (показания приборов, включение сигнальных ламп и пр.) и их обработка. Оператор обычно не воспринимает
5 Зак. 2019 129
непосредственно состояние объекта (предмета, явления), но воспринимает имитирующий его образ (отображение), называемый «информационной моделью». Информационная модель должна с требующейся полнотой и точностью отображать состояние объекта и вместе с тем должна быть согласована с возможностями оператора по приему и обработке информации, его психологическими качествами. На основе информационной модели в сознании оператора формируется образ состояния объекта деятельности, или оперативный образ, или концептуальная модель. Концептуальная модель — «умственная картина» состояния объекта (процесса) и условий.
Принятие решений. При этом выдвигаются мысленные варианты решения, происходит их оценка и выбор.
Выработка плана действий и осуществление действий по управлению.
Восприятие результатов действий (обратная связь).
Из перечисленных психических составляющих деятельности оператора важнейшим, определяющим ее результат, является принятие (на основе восприятия и обработки информации) решений, на базе которых осуществляются действия. Как уже отмечалось, очень важно, какое время затрачивается на решения и действия, каковы их точность и надежность. Это связано с особенностями протекания психических процессов, характерных для деятельности оператора.
Психические процессы. При выполнении психологических составляющих деятельности, которые были рассмотрены выше (мотивации, целеполагания, восприятия и обработки информации, принятия решений и осуществления действий), имеют место психические процессы и реализуются следующие психические функции.
Внимание—направленность психической деятельности на определенные объекты (предметы) и явления.
Ощущение—отражение предметов и явлений материального мира при их непосредственном воздействии на рецепторы. Рецепторы совместно с нервными проводящими путями и соответствующими областями мозга образуют анализаторы (зрительные, слуховые и другие органы чувств). Свойства анализаторов описаны в литературе и приведены ниже.
Восприятие—отражение в сознании человека предметов и явлений при их воздействии на органы чувств, при котором происходят процессы упорядочения и объединения ощущений в образы.
Мышление — процесс обобщенного познания предметов и явлений действительности, связей и отношений, существующих между ними. Мышление—это очень сложный и многогранный психический процесс. Различают различные формы мышления.
Память — накопление, организация и закрепление в сознании и памяти образов, впечатлений, закономерностей, понятий, данных, их сохранение, последующее узнавание и воспроизведение того, что было в прошлом опыте индивидуума. Память — очень сложное психическое явление, она играет большую роль в психической деятельности человека. Различают много видов памяти.
Воображение — процесс создания образов нового.
Общение — способ активного взаимодействия между людьми.
Основное значение в понимании закономерностей информационного взаимодействия человека и «машины», а также принятия решений, в выявлении роли 130
оператора в СЧМ и перспектив изменений этой роли при автоматизации, имеют психические процессы памяти и мышления. Поэтому остановимся на них подробнее.
Память. Память включает процессы запоминания (накопления), сохранения, узнавания, забывания и воспроизведения информации. Основные характеристики памяти: объем запоминаемой информации; скорость запоминания; длительность сохранения (или скорость забывания); полнота, точность и готовность воспроизведения.
По длительности хранения различают следующие виды памяти: кратковременная (непосредственная и оперативная) и долговременная. По характеру — словесно-логическая, образная (зрительная, слуховая и т. п.), моторная (двигательная), эмоциональная и др.
Рассмотрим особенности разных видов памяти. Непосредственная память — это как бы слуховая или визуальная «фотография», которая сохраняется очень короткое время. В оперативную память информация поступает после ее быстротечной обработки, при протекании психических процессов восприятия н оперативного мышления. При этом производится быстрая селекция и реорганизация информации, выделение образов, признаков и т. п. в зависимости от решаемой задачи. В основном в оперативной памяти используются по характеру материала такие ее виды, как образная и моторная. Время хранения информации в оперативной памяти до 10...20 с, иногда до минуты, т. е. информация сохраняется на время выполнения оперативного действия, после чего в основном она утрачивается.
Объем оперативной памяти небольшой—10...50 символов, при речевом общении до 10...13 слов. В некоторых источниках [5.2] ее объем оценивается 150...200 бит.
При соответствующей «установке» и подключении мышления часть информации из кратковременной (оперативной) памяти переходит в долговременную. Долговременная память хранит информацию длительное время (часы — годы). В процессе перехода в долговременную память обычно происходит дальнейшая реорганизация информации, формируются обобщения, закономерности и т. п.
Задача долговременной памяти — это накопление информации (т. е. образов, понятий, закономерностей, символов, количественных данных и т. п.) для обеспечения правильного поведения индивидуума в будущем, на основе полученного опыта, т. е. обеспечение обучения оператора.
Удобно разделить долговременную память на две подобласти: начальнодолговременную— на время от нескольких часов до нескольких дней и устойчиводолговременную память — на время до нескольких месяцев и до нескольких лет. Это деление не является общепринятым [5.2].
Ряд исследователей полагают, что скорость поступления информации в начально-долговременную память составляет 1 ...0,5 бит/с, ее объем около 105 бит и время хранения до двух-трех недель [5.2].
Во многих случаях, например для оператора-диагностика, осуществляющего техническое обслуживание и ремонт, необходимо иметь обширные, долго сохраняемые и используемые знания по принципу действия, схемам, конструкции (размещение элементов конструкции), соединениям, действующим токам и напряжением и т. п.
131
5!
Операторы-манипуляторы и наблюдатели могут довольствоваться ограниченным объемом информации в долговременной памяти, но она также должна сохраняться и использоваться ими многие годы и десятилетия. Таким образом, рассмотренная начально-долговременная память не может обеспечить успешную трудовую деятельность и эффективное обучение оператора.
Исследования показывают, что при многократных применениях на практике накопленных знаний, их осмыслений, формировании обобщений, выявлении и использовании связей и т. п. процесс забывания замедляется, знания преобразуются в форму, в которой они могут сохраняться и активно использоваться человеком в течение многих лет, а при определенных условиях и всей его активной жизни. Очевидно, что именно такое накопление информации является основной задачей обучения операторов технического обслуживания и ремонта.
Однако многократное применение, осмысливание, повторение и т. п. приводят к тому, что скорость накопления такой информации в устойчиво-долговременную память оказывается очень незначительной, как указано в ряде работ, она составляет всего 0,05 бит/с, но ее объем (количество) практически не имеет ограничений [5.2].
Мышление — высшая ступень человеческого познания. В процессе мышления выполняются умственные операции: анализ — мысленное разделение предметов и явлений на части и выделение отдельных свойств; синтез — мысленное соединение частей в единое целое; абстракция — отвлечение от частностей и сохранение в мышлении общих и существенных признаков; конкретизация — придание предметного характера абстрактно-обобщенной мысли; обобщение — мысленное объединение предметов и явлений по общим и существенным признакам.
Различают следующие формы мышления:
оперативное — процесс построения последовательности действий в динамическом режиме взаимодействия с предметом и явлением. Оперативное мышление взаимодействует с оперативной памятью и использует информацию, накопленную в долговременной памяти;
наглядно-действенное (действенное) — осуществляется в форме предметных действий;
наглядно-образное (образное) — представляется в форме наглядных образов;
абстрактное — опирается на общие и отвлеченные понятия;
логическое — опирается на закономерности;
понятийное — основывается на понятиях и представлениях;
эвристическое — основывается на психических процессах воображения.
Ранее понятия, относящиеся к мышлению, были использованы при рассмотрении типов операторской деятельности и при изучении памяти, поэтому более подробно на них останавливаться не будем, имея в виду, что к мышлению вернуться придется при рассмотрении вопроса о принятии решений. Здесь отметим только, что мышление осуществляется с затратами времени. Количественные характеристики затрат будут рассмотрены далее.
Принятие решений. Как было уже отмечено, важнейшим содержанием деятельности оператора является принятие решения и осуществление действий. Это основная цель деятельности 132
оператора. Решения принимаются на основе восприятия и обработки текущей информации с привлечением памяти и мышления, особенности которых уже были рассмотрены. Психические процессы, происходящие при этом, существенно различаются в зависимости от решаемой задачи.
Напомним, что существуют разные типы операторской деятельности, для которых характерны различные по сложности категории задач:
1. Стереотипные, или простейшие задачи характерны для оператора-манипулятора. Они заключаются в принятии простейших решений, например о выключении аппаратуры при возникновении сигнала аварии или о включении пресса после того, как заготовка оказалась в «гнезде» и т. п. При этом основную роль играют механизмы сенсомоторной регуляции и оперативного мышления. Используются кратковременная и долговременная память, и определяющее значение имеет натренированность оператора. Принятие таких решений характеризуется минимальными затратами времени. Однако реакция человека на звук или свет все же требует 0,1...0,2 с (время сенсоноторной реакции). Автоматы принимают такие решения много быстрее. При решении простейших задач привлечение человека-оператора наименее эффективно из-за сравнительно медленной реакции и утомления, а также длительного обучения. Решение таких задач обычно сравнительно просто автоматизируется.
2. Мыслительные задачи предполагают их решения при последовательной реализации определенных мыслительных операций, т. е. когда алгоритм решения известен и усвоен оператором. Процессы принятия решения в мыслительных задачах основываются на оперативном мышлении и оперативной памяти, а также на использовании правил и способов действий (алгоритмов), накопленных в долговременной памяти. Такие задачи характерны для оператора-наблюдателя. Они встречаются при обнаружении и различении сигналов, оценке помеховой ситуации, интерпретации часто встречающихся результатов, оценке качества изделия при контроле, простых случаях поиска неисправностей и т. и. Время, затрачиваемое на принятие таких решений, существенно больше, чем время сенсомоторной реакции. Примеры затрат времени даны в табл. 5.1. При решении мыслительных задач обычно производится также обработка информации, что связано с затратами времени. Значительные затраты времени объясняются конечной скоростью протекания психических процессов, которые были рассмотрены ранее. Решение таких задач может быть автоматизировано, но аппаратура усложняется.
3. Проблемные задачи: для их решения не удается ограничиться использованием только заранее известных правил (алгоритмов). Процесс принятия проблемного решения предполагает выбор стратегии и составление плана действий, сопоставление результатов промежуточных этапов с конечной целью и т. п. При этом
133
Таблица 5.1. Характеристики оператора
Операция Время, с
Распознавание простого «образа» (заранее известного 0,3
«признака») в «простых» условиях Распознавание «образа» в сложных условиях до 10
Считывание показаний стрелочного прибора 0,5...1,5
Время выполнения простой арифметической, логической и 0,5...1
комбинаторной (ИЛИ, И, НЕ) операции на один разряд Реакция на простой «сигнал», включая элементарное дей- 0,1.„0,2
ствие (время сенсомоторной реакции) Время выполнения простой элементарной операции: пово- 0,5...1
рот, нажатие кнопки и т. п. Скорость ручной записи 3 бита (знака)/с
используется оперативная память оперативное мышление, но основную роль играют долговременная память и такие формы мышления, как понятийное и логическое. Такие задачи встречаются при поиске отказов в сложной аппаратуре, ее регулировке и развертывании, при анализе сложных помеховых ситуаций и т. п. [5.3]. Затраты времени на решение таких задач могут быть очень значительными и определяются сложностью задачи и подготовленностью оператора, наличием в его устойчиво-долговременной памяти необходимых знаний, а также приспособленностью конструкции аппаратуры к контролю и диагностированию. Например, в сложной аппаратуре среднее время поиска отказа может составлять часы и даже дни. Решение проблемных задач наиболее сложно поддается автоматизации и в то же время их решение, как уже отмечалось, требует, как правило, высокого уровня подготовки оператора, большого количества знаний, накопленных в его долговременной памяти, и больших затрат времени. Такие задачи свойственны операторам-исследователям и диагностикам. После принятия решения оператор переходит к действиям.
Управляющие действия человека-оператора. Любые действия (движение, речевая команда и т. п.) складываются из совокупности элементарных движений и звуков, объединяемых механизмами центральной регуляции.
Наиболее часто управляющие действия имеют характер движений рукой и пальцами (поворот рукоятки, запись символа и т. п.). На их выполнение оператор затрачивает время, которое составляет примерно 0,1...0,5 с на каждое элементарное движение. Данные о затратах времени на некоторые простые действия приведены в табл. 5.1. Причем точность движения и усилия, затрачиваемые оператором, должны соответствовать его возможностям и антропометрическим характеристикам.
Таким образом, после принятия решения затрачивается еще значительное время на выполнение действий, что определяется физиологическими и антропометрическими характеристиками че-134
ловека, которые будут подробнее изложены ниже. Следовательно, деятельность оператора всегда связана с затратами времени, или он обладает конечным быстродействием. Автомат может выполнять многие действия значительно быстрее, точнее, без утомления, не требуя соблюдения гигиенических и физиологических требований, часто имея меньшую массу и габариты.
Кроме того, на протекание психических процессов при принятии решений и на выполнение действий большое влияние оказывает индивидуальность оператора, его работа отдельно или в составе группы, утомление, наличие эмоциональных факторов, мотивация, внешние условия и т. п. Поэтому закономерности восприятия и обработки информации, принятия решений и осуществления действий носят вероятностный характер, наблюдаются на практике значительные отклонения и «выбросы».
5.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАТОРА
Характеристики оператора в СЧМ при управлении РЭС и извлечении сообщений. На основе рассмотрения психических аспектов взаимодействия человека-оператора и «машины», для того чтобы определить его место и роль в РЭС, оценить задачи автоматизации, полезно сформулировать усредненные ориентировочные характеристики человека для случая, когда основная задача состоит в принятии оперативных решений и выполнении оперативных действий по управлению или выдаче сообщений. Для обученного и подготовленного оператора эти свойства можно представить в виде таблицы.
Как следует из табл. 5.1, человек осуществляет простую обработку информации и запись значительно медленнее (в миллионы раз), чем это достигнуто в ЭВМ. Однако сложную обработку при распознавании образов с использованием ассоциаций и опыта, т. е. накопленной информации, человек осуществляет значительно совершеннее и быстрее, чем ЭВМ. Поистине уникальны творческие возможности человека, его способность к обработке информации по эвристическим и нетривиальным алгоритмам, генерированию гипотез и идей, его возможности диагностировать, принимать решения и прогнозировать развитие, располагая очень ограниченными сведениями. Он способен работать, используя множество алгоритмов и выполняя неисчислимое количество разнообразных действий. Творческие способности человека-оператора имеют большое значение также для эксплуатации, позволяя подмечать неизвестные ранее закономерности, выявлять новые возможности РЭС, вводить усовершенствования и т. п. Однако в текущей работе с РЭС, осуществляя рутинные восприятия и обработку информации, а также действия, оператор проявляет себя в соответствии с табл. 5.1. Очевидно, что если скорость поступления информации и требуемая скорость ее
135
обработки превышает возможности человека, независимо от других условий операции должны выполняться автоматически действующей аппаратурой.
Характеристики человека-оператора в СЧМ при техническом обслуживании, диагностике, первоначальном вводе в действие, развертывании, ремонте и т. п. Для случая, когда требуется решение сложных задач, при необходимости обработки большого количества информации по сложным и заранее неизвестным алгоритмам с использованием многошаговых процедур, что характерно для технического обслуживания, ремонта, начального ввода в действие, необходима специальная подготовка, которая в основном заключается в обучении, в процессе которого оператор накапливает в устойчиво-долговременной памяти сведения о режимах, соединениях, сигналах, показаниях приборов в аппаратуре. При этом главная роль отводится мышлению и его взаимодействию с памятью. Это имеет большое значение для ремонтопригодности и потому дополнительно рассмотрено в гл. 10. Аналогичный процесс происходит при обучении оператора по эксплуатационной документации. Характеристики оператора при обучении отображены в табл. 5.2 [5.2].
Таблица 5.2. Характеристики оператора при обучении
Характеристики памяти кратковременная память (восприятие, оперативная память) Память
начальная долговременная устойчиво долговременная
Скорость поступления информации, бит/с Время хранения Накапливаемое количество информации, бит 10...15 20 с 150 0,5 Дни, недели 1О4...1О5 0,05 Годы, десятилетия 1О8...1О10
Как следует из табл. 5.2, человек значительно медленнее накапливает информацию, чем она может вводиться в память ЭВМ. Но ее накопление связано с творческим процессом, обработкой, реорганизацией и отбором.
Общая характеристика оператора. Характеристики, приведенные в табл. 5.1 и 5.2, являются усредненными; они справедливы для нормальных рабочих условий, когда человек не утомлен, здоров, нет отвлекающих факторов и внутренних эмоциональных переживаний, внешние гигиенические и физиологические условия (температура, акустические и механические воздействия, освещение и т. п.) соответствуют нормам. Эти условия имеют большое практическое значение, так как создание необходимой для организма обстановки приводит к тому, что эквивалентная масса человека, рассматриваемого в совокупности с РЭС, в зависимости от особенностей внешних условий, продолжительности его рабо-136
ты, наличия сменности операторов из-за их утомления, сна, питания и т. п., может в 5... 10 раз превышать его массу.
Кроме того, оператор является «дорогим устройством», приводит к большим эксплуатационным расходам, так как требует вознаграждения за работу, реальное содержание которого должно возрастать в связи с повышением уровня жизни общества и необходимостью привлечения операторов все более высокой квалификации. Большие затраты связаны также с обучением оператора [5.3].
При эмоциональном напряжении и стрессах информационные и исполнительные возможности человека оказываются другими. Как видно из изложенного, человек является требовательным к конструкции и условиям, «дорогим», медленно действующим и длительно подготавливаемым «устройством» обработки и накопления информации, принятия решений и осуществления действий.
По изложенным причинам вопрос о роли человека в управлении РЭС является сложным, требует при конструировании правильного учета его свойств и возможностей, максимального облегчения его действий при применении по назначению, техническом обслуживании, ремонте, развертывании и транспортировке. Имеется явно выраженная тенденция к автоматизации применения по назначению, контроля, технического обслуживания. Но оно обычно не устраняет человека, а сохраняет за ним наиболее сложные и ответственные функции, что требует от него высокой квалификации, длительной подготовки и чувства ответственности. При этом он выступает как высшее звено в АСУ РЭС.
5.5. ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РЭС ПО НАЗНАЧЕНИЮ
Автоматизация управления включением и настройкой. При выполнении операций включения, перестройки, коммутации и тому подобного человеком, аппаратура получается наиболее простой, так как достаточно предусмотреть соответствующие органы управления, а также измерительные приборы и индикаторы. Если функции выполняются автоматически, например автоматическое включение и установка рабочей частоты по закодированной команде, автоматическая подстройка контуров и антенны с использованием систем экстремального управления и т. п., то аппаратура существенно усложняется. Определение сложности аппаратуры, заменяющей человека (например, одного оператора), затрудняется тем, что один человек может управлять очень сложной аппаратурой, если на ее включение, перенастройку и другие операции может быть отведено много времени.
Число операций управления вводом в действие тем больше, чем сложнее аппаратура. В среднем можно считать, что одна
137
операция приходится на 5...20 каскадов аналоговой аппаратуры и на несколько тысяч логических элементов дискретной (цифровой). Для сложной аппаратуры общее число операций по введению в действие без автоматизации получается большим, и оператор должен затрачивать значительное время на их выполнение. Напомним, что человек может выполнять одно-два простейших действия в секунду. В среднем каждая операция состоит из пяти простейших действий, т. е. требует 2...5 с. За одну минуту оператор может выполнить 10...20 операций [1.2].
Автоматизация и дистанционное управление введением в действие и перестройкой аппаратуры вызывает ее усложнение примерно в 1,5—2 раза. Автоматизация, как правило, значительно увеличивает скорость введения аппаратуры в действие и перенастройки. В автоматизированных системах управления РЭС (АСУ РЭС) оставляет за человеком несколько (примерно 2—3) операций, так что при этом затраты времени оператора будут незначительны.
Автоматизация управления извлечением информации. Операции выделения информации также разнообразны. В системах передачи команд, проводной связи, радиосвязи и телеметрии они состоят в приеме, декодировании и записи. Человек может выполнять эти функции только при очень малой скорости поступления информации, как это объяснено выше. Аппаратура, автоматически выполняющая эти функции, может содержать 10...30 аналоговых каскадов и сложных элементов, что позволяет без особых трудностей автоматизировать эти операции и значительно увеличить скорости поступления и запоминания информации.
В системах радиолокации, радионавигации и радиоуправления рассматриваемые функции включают в себя:
обнаружение сигнала или поиск (по параметру, несущему информацию, например поиск сигнала по частоте, задержке, направлению прихода);
измерение параметров сигнала или слежение за ними для получения информации о скорости и координатах, выполнение вычислений, т. е. преобразование или вторичную обработку информации.
Если скорость поступления информации превышает 5... 10 бит/с или требуется ее сложная обработка за короткое время (менее 0,1...0,3 с), то в составе системы нужно иметь блоки автоматического выделения и обработки информации.
Слежение за параметрами сигнала сводится обычно к выявлению рассогласования, вызываемого отклонением управляемого объекта и исполнительного органа от состояния, задаваемого параметром сигнала, и к осуществлению действий с исполнительным органом, обеспечивающим устранение рассогласования. Такая система, по сути дела, является замкнутой системой управления, и если она действует с участием человека, то он выполняет в ней функции одного из звеньев, включенных в замкнутый 138
контур. При этом, как это следует из изложенного выше, человек осуществляет оперативное управление [1.2].
При достаточной тренировке действия оператора приобретают определенность и его свойства могут быть «описаны» передаточной функцией
^ч(/’) = [^че-рт’(Пчр+1)]/[(Т2чр + 1)(Т1чр+1)],
где р — символ Лапласа [1.2].
Другими словами, человек эквивалентен «звену», которое имеет задержку тч = 0,1...0,5 с, инерционности Т2ч = 0,2...0,5 с и Т1Ч = 0,05...0,1 с. Поскольку оператор способен реагировать не только на отклонение (рассогласование), но и на скорость ее изменения или производную, то в числителе содержится член с параметром Пч.
Очевидно, что рассмотренные функции человека могут выполняться автоматически аппаратурой.
Автоматизация управления вторичной обработкой информации. Операции вторичной обработки информации достаточно разнообразны. Примером вторичной обработки может служить использование результатов измерения гиперболических координат в радионавигационной системе для вычисления с высокой точностью географических координат корабля [1.2].
Аппаратура, выполняющая такие расчеты, т. е. ЭВМ должна содержать большое количество логических элементов, причем результаты будут получены значительно быстрее, чем при их выполнении человеком. Изложенное выше обобщено в табл. 5.3, откуда следует, что во многих случаях необходимо или полезно автоматизировать получение и обработку информации в РЭС, что приводит к конструированию соответствующих устройств, усложняет конструкцию РЭС, но дает значительный эффект. В связи с этим автоматизация РЭС приобретает все более широкое применение, вплоть до создания АСУ РЭС.
Таблица 5.3. Операции с аппаратурой и ее усложнение
Операции, выполняемые с аппаратурой Число дополнительных каскадов и сложных элементов при автоматизации. Аналоговая аппаратура Число дополнительных логических элементов. Цифровая аппаратура Дополнительные преимущества, обеспечиваемые автоматизацией
Введение в действие ЭА, установление заданного режима 50 103 Высокая скорость введения в действие. Облегчение обеспечения дистанционного управления
Запись, измерение параметра, слежение 20 103 Высокое быстродействие и точность. Неограниченная продолжительность действия
Вторичная обработка информации, расчеты, преобразования >(2...3)102 >105 Высокая скорость обработки информации
139
5.6. СВОЙСТВА АНАЛИЗАТОРОВ И АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАТОРА
Анализаторы и антропометрические характеристики. Прием и первичную обработку информации о состоянии РЭС, внешней среды и самого оператора обеспечивают анализаторы, состоящие из чувствительного органа (рецептора), определенного участка головного мозга, прямых и обратных нервных связей между ними. Каждый из анализаторов описывает совокупность параметров. Поскольку оператор РЭС в большинстве случаев работает в комфортных условиях, то для конструирования РЭС представляют интерес не предельные, а обеспечивающие устойчивую и надежную работу значения параметров. Кроме зрительного и слухового анализаторов, воспринимающего более 90% поступающей информации, обычно учитывают группу анализаторов, связанных с рецепторами кожи, а также кинестатический (рецепторы в мускулах и сухожилиях) и вестибулярный анализаторы.
Обобщенные размеры тела человека и его частей называют антропометрическими характеристиками [5.1 ]. К ним также отнесены пространственные, скоростные и силовые показатели управляющих движений оператора.
Антропометрические характеристики у отдельных индивидуумов могут значительно отличаться, однако при разработке изделий исходят из обобщенных данных оператора.
Зрительный анализатор. Рассмотрим основные его характеристики применительно к работе оператора РЭС. На рис. 5.1 представлены пространственные характеристики глаза, в первую очередь определяющие параметры информационного поля — пространства, в котором размещены СОИ. Детальное восприятие зрительных образов возможно в очень узкой центральной части поля зрения (по 3° от оси зрения во все стороны). В зоне удобного наблюдения 2, в которой распознают взаимное расположение или форму объектов, дополнительно выделяют
1—зона оптимального зрения; 2 — зона удобного зрения; 3— с поворотом головы; 4 — с поворотом головы и глаза
140
зону оптимального обзора 1 размером по 15° от оси зрения во все стороны. Зона 3 соответствует углам зрения оператора при повороте головы, зона 4 — головы и глаза (ГОСТ 23000—78).
Остроту зрения определяет угол ф = Л//, под которым две удаленные на расстояние / от глаза точки с зазором между ними Л видны как раздельные. За условную единицу остроты зрения принят угол зрения, равный одной угловой минуте (Г), но при разработке РЭС обычно исходят из минимального угла зрения оператора 10...20, что при обычном расстоянии от глаза до передней панели РЭС /=1м соответствует Л = 0,5...1,0 мм.
Дифференциальный порог характеризует способность глаза воспринимать различия в яркости. При обычных условиях работы оператор может уверенно дифференцировать всего лишь около десяти градаций.
Возможность различать цвета резко увеличивает объем получаемой оператором информации. При средних размерах объектов, освещенности и других условиях, оператор может уверенно распознавать и классифицировать всего около десяти оттенков. При размерах, меньших 10', глаз не замечает хроматичности излучения, и цвета плохо различимы на периферии поля зрения.
В инженерной психологии возможные сочетания цветов ранжированы в порядке убывания цветового контраста: синий на белом, черный на желтом (и наоборот), черный на белом и так далее. Цветовой контраст следует учитывать при окраске внешних поверхностей РЭС, оформлении передних панелей, а также при выделении надписей.
Ахроматический интервал представляет собой разницу в пороговых яркостях, при которых объект воспринимается вообще и распознается его цвет. Минимальный ахроматический интервал у красного цвета, что, несмотря на плохую чувствительность глаза в той области, является одной из причин использования красного цвета для сигналов опасности или запрета.
Зрительные ощущения имеют скрытый (латентный) период от предъявления предмета до появления ощущения и период сохранения зрительного ощущения при устранении предмета, равный 0,1...0,2 с. Это приводит, во-первых, к ограничению скоростных возможностей оператора, во-вторых, к невозможности различать быстро следующие друг с другом световые импульсы. Для надежной фиксации мельканий частоту следования импульсов выбирают не выше 10 Гц.
Слуховой анализатор принимает сигналы в диапазоне 16...20000 Гц. Важнейшими характеристиками звуковых сигналов являются частота и громкость — субъективное впечатление от воздействия звуковых колебаний на органы слуха, зависящее прежде всего от звукового давления. В качестве порогового давления принято Ро = 1 • 10“5 Па, а вызывающему неприятные ощущения шуму вблизи работающего авиационного двигателя соответствует уровень 130 дБ.
Слуховой анализатор обладает дифференциальной способностью к восприятию изменений громкости и высоты тонов (частоты). Хотя число градаций в обоих случаях велико, для уверенной и быстрой классификации при работе оператора используют не более десяти значений.
Благодаря восприятию звука двумя ушами, возможна пространственная локализация источника звука. При худшей, чем у зрительной системы, разрешающей способности слуховая система обладает уникальной возможностью локализации положения источника, находящегося в любой точке сферы, без поворота головы или корпуса. : i
141
Аварийные сигналы, требующие незамедлительной реакции оператора независимо от его местонахождения и деятельности, должны иметь высокую интенсивность, чтобы подавить другие сигналы. Наоборот, уведомляющие звуковые сигналы должны оказывать мягкое воздействие, например сигнал вызова с помощью зуммера во внутренних переговорных устройствах. Звуковые сигналы обычно дублируют оптическими.
Латентный период слухового анализатора примерно такой же, как у зрительного (0,1...0,2 с).
Кожный и другие анализаторы. Кожный анализатор обеспечивает восприятие прикосновения, боли, тепла и холода, при этом чувствительность к тем или иным воздействиям резко отличается на разных участках кожи. Наибольший интерес с точки зрения оператора РЭС представляет чувствительность к прикосновению (тактильная). Операторы широко используют осязание при локализации места расположения и опознавания формы ОУ, особенно в случае их расположения на периферии информационного поля или при недостаточной освещенности. Другие кожные анализаторы в работе оператора РЭС играют вспомогательную роль, например ощупывание греющихся элементов.
Основные антропометрические характеристики оператора. В работах по инженерной психологии [5.1] приведены подробные данные по средним размерам тела человека и разбросу их значений. Динамические антропометрические характеристики задают с помощью углов поворотов отдельных частей тела, а их использование совместно со статическими позволяет строить зоны досягаемости рук (рис. 5.2).
142
Рис. 5.3. Рабочие зоны при работе оператора (размеры даны в дециметрах) а — ннжняя неудобная; б—нижняя менее удобная; в —удобная; г—верхняя менее удобная; ^--верхняя неудобная; е—для работы сидя
Зоны досягаемости определяют моторное поле — пространство, в котором размещают ОУ. Моторное поле разделяют на три зоны: оптимальной досягаемости, соответствующей движениям рук с опертыми локтевыми суставами; легкой досягаемости — расслабленными руками при их движении в локтевых составах; досягаемости—движения в плечевом суставе полностью вытянутых рук.
При разработке конструкции, нахождении оптимальной рабочей позы оператора прибегают к соматическому анализу, позволяющему найти параметры моторного и информационного полей для произвольных рабочих поз, сочетая, например, зоны видимости глаза (см. рис. 5.1) и зоны досягаемости рук (см. рис. 5.2) с различными допустимыми поворотами рук или корпуса. Антропометрические характеристики определяют максимальные размеры РЭС, места расположения ОУ, соединителей и других внешних элементов, например оперативные органы управления следует располагать в удобной зоне (рис. 5.3,в, г, е).
В процессе трудовой деятельности оператор выполняет не только операции по подготовке и применению РЭС по назначению, но осуществляет техническое обслуживание и ремонт. В этом случае исходят не из оптимальных, а допустимых антропометрических характеристик и поз, определяющих минимальные размеры рабочих пространств при выполнении тех или иных работ (рис. 5.4). На размеры проемов существенное влияние оказывает одежда оператора, например, для обеспечения доступа рукой до плеча в легкой одежде необходим диаметр отверстия 130 мм, а в зимней — 220 мм.
Характеристики управляющих движений. Кроме пространственных, управляющие воздействия имеют еще две группы характеристик: временные (скоростные) и силовые.
Общее время выполнения движения разделяют на латентный период, представляющий собой время от момента появления сигнала до начала выполнения управляющих движений, и длительность моторного действия — фактическое время выполнения
143
Рис. 5.4. Минимальные размеры зон при технологическом обслуживании РЭС
оон I Г ом
движения. Минимальное время (0,17 с) оператор затрачивает на движения, выполняемые пальцами рук. Если это время принять за единицу, то для выполнения движений кистью и пальцами необходимы две единицы времени; предплечьем, кистью и пальцами — три; рукой в плечевом суставе — четыре; на наклон и подъем корпуса — семнадцать.
Силовые характеристики определяют усилия, развиваемые при выполнении движений. Сила различных мышечных групп руки колеблется в широких пределах.
Важной характеристикой, влияющей на разбиение конструкции РЭС на части, является способность к поднятию и перемещению груза. Нагрузку до 6 кг считают легкой, 6...15 кг — умеренной, 15...30 кг — средней, 30...50 кг — тяжелой. Это разделение нагрузок введено для удобных и компактных грузов, расположенных вблизи оператора, а для груза, размещенного на расстоянии вытянутых рук, нормы, естественно, иные. Желательно, чтобы масса груза, размещенного вблизи пола, на превышала 30 кг, а поднимаемого до уровня груди—10... 15 кг. Способность к подъему и перемещению тяжестей имеет важное значение при учете требований к транспортировке и развертыванию РЭС.
5.7. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ
Критерии выбора СОИ и ОУ. При выборе СОИ и ОУ следует учитывать, что объем информации должен быть необходимым, так как увеличение объема ведет к снижению надежности.
Основные технико-экономические показатели СОИ: функциональные — функциональные возможности, размеры символов, яркость, многоцветность, контрастность, угол обзора;
электрические — потребляемая мощность, совместимость
с ИМС, сложность автономных цепей питания и управления;
конструктивные — устойчивость к внешним воздействиям, показатели , надежности, конструктивное оформление и удобство закрепления.
Все ОУ состоят из узла переключения или регулировки и приводного устройства, передающего усилия оператора. По виду приводного устройства ОУ разделяют на кнопки (клавиши), тумблеры, поворотные переключатели и регуляторы. Различают: функциональные показатели ОУ—характер управляющих движений и степень их соответствия стереотипам движения, управляющие усилия; электрические — число переключаемых цепей, токи, диапазон частот; конструктивные — удобство установки, габаритные размеры, конструкция приводного устройства и его эстетическое оформление.
145
Во всех случаях при выборе СОИ и ОУ следует учитывать их стоимость, соответствие принципам построения РЭС (аналоговый или цифровой) и перспективность.
Знакосинтезирующие индикаторы. В матричных индикаторах со знакосинтезированием любой допустимый символ формируют из постоянного набора элементов (сегментов), высвечиваемых в тех или иных сочетаниях. Этот способ построения цифр или букв алфавита хорошо сочетается с дискретным комбинаторным управлением, легко реализуемым в РЭС на цифровых микросхемах. Поскольку сложность СОИ и управляющих устройств зависит от числа сегментов, то естественно стремление к их уменьшению, однако из рис. 5.5, а видно, что семисегментные индикаторы даже для изображения цифр дают начертания символов, значительно отличающиеся от стандартных шрифтовых. Семнадцатисегментный индикатор (рис. 5.5,6) позволяет воспроизводить цифры, буквы латинского и русского алфавитов.
По физическому принципу работы СОИ со знакосинтезированием делят на электролюминесцентные, вакуумные люминисцент-ные, светоизлучающие диодные и жидкокристаллические.
Электролюминесцентные индикаторы имеют плоскую конструкцию, дающую большой угол обзора, высокую механическую прочность, низкую стоимость. Они многоцветны, что обеспечивает дополнительное цветовое кодирование информации. Основные недостатки: невысокая яркость и ее уменьшение в несколько раз в течение первой тысячи часов эксплуатации; необходимость специальных цепей питания и управления, не согласующихся с цепями питания ИМС.
Вакуумные люминесцентные индикаторы обладают высокой яркостью, возможностью получения символов нескольких цветов на одном индикаторе, малой потребляемой мощностью, способностью переключения с помощью обычных цифровых ИМС, но низкой механической прочностью.
У светодиодных индикаторов высокая механическая прочность, совместимые с ИМС рабочие напряжения, большой срок службы. Основной недостаток—малые размеры светящихся поверхностей.
У жидкокристаллических индикаторов высокие значения контрастности (до 100:1) получают при ярком освещении, например на открытом воздухе. Индикаторы имеют плоскую конструкцию,
146
малую потребляемую мощность, невысокую стоимость, совместимы с ИМС. Недостатки: ограниченный температурный диапазон, малое быстродействие, необходимость подсветки при низких уровнях освещенности.
Все типы индикаторов выпускают как в одноразрядном, так и многоразрядном исполнениях, что упрощает их крепление на передней панели, улучшает внешний вид прибора.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) позволяют представить информацию в виде наиболее быстро опознаваемых оператором наглядных моделей—изображений, например обстановки на индикаторе РЛС, осциллограмм сигналов и прочее.
При конструировании РЭС следует принять во внимание, что ЭЛТ обычно являются наиболее сложными и габаритными изделиями, требующими дополнительного введения значительных по объему и массе узлов, например высоковольтных, электромагнитного экранирования трубки и т. п.
Плоские матричные экраны фактически представляют собой знакосинтезирующие индикаторы с точечными сегментами. Газоразрядные индикаторные панели переменного тока содержат достаточно большое количество элементов (1024x 1024), имеют хорошую разрешающую способность (5... 10 элементов на сантиметр), могут быть красного, желтого, зеленого и синего цветов свечения. Несмотря на относительно небольшие габариты, плоские матричные индикаторы представляют собой довольно сложные изделия, например индикатор ИВЛГ1-128/128 с матрицей 128 х 128 точек при размерах информационного поля 127 х 127 мм имеет 579 выводов. В настоящее время созданы электролюминесцентные матричные вакуумные и безвакуумные экраны.
Светоизлучающие элементы и световые табло. Для подачи предупредительных или аварийных сигналов, индикации двух-трех состояний РЭС применяют светодиоды, малогабаритные приборные лампы накаливания и сигнальные газосветные лампочки.
Приборные лампы накаливания и газосветные лампочки являются ненадежными элементами (срок службы от 10 до 1000 ч), поэтому их необходимо располагать в легкодоступных местах, устанавливать в легкоразъемные держатели — патроны, которые закрывают полупрозрачными колпаками разных цветов.
Световые табло применяют в тех случаях, когда необходимо сообщить оператору дополнительную текстовую информацию, например указания к действию, или индицировать относительно большое число состояний. Световое табло состоит из арматуры, элементов крепления, транспарантов с нанесенными надписями и лампочек подсвечивания. При разработке конструкции табло необходимо предусмотреть возможность быстрой замены лампочек. Значительно удобнее серийно выпускаемые табло, фактически представляющие собой знакосинтезирующие индикаторы с сегментами специальной формы (рис. 5.5,в). .ир ьсрры.
147
Стрелочные и шкальные индикаторы. Цифровые индикаторы неудобны при быстрой оценке значений параметров и скорости их изменения, что оправдывает применение стрелочных индикаторов в режиме слежения, при настройке и регулировании.
Шкалы бывают круглыми, горизонтальными или вертикальными линейными. В большинстве случаев для настройки и слежения предпочтительно движение стрелки при неподвижной шкале (рис. 5.6,а). Шкалы типа «открытое окно» (рис. 5.6,6), расположенные за панелью прибора, предпочтительны при широком диапазоне измерений, быстром считывании точных значений, однако такие шкалы усложняют конструкцию передней панели. Подвижные шкалы с неподвижной стрелкой (точкой отсчета) получают при нанесении делений на приводные элементы ОУ, лимбы настройки (рис. 5.6,в).
Для уверенного и быстрого распознавания показаний индикатора-риски, расстояния между ними и надписи выполняют относительно крупными (рис. 5.6,г), чтобы при расстоянии до глаза оператора около 1 м обеспечить достаточный (не менее 20') угол зрения между соседними рисками.
Количество делений на шкале не должно превышать минимально необходимого для требуемой точности. При оценке попадания контролируемого параметра в допустимый интервал значений предпочтительнее градуировка по рис. 5.6,е, чем по рис. 5.6,6, поскольку после отвлечения внимания не нужно вспоминать положение стрелки.
При недостаточной освещенности рабочего места, например при совместной работе с ЭЛТ, используют подсветку шкал с помощью приборных лампочек накаливания, осуществляя ее прямым или отраженным светом. При организации подсветки глаза оператора необходимо защитить от прямого попадания света.
Электромеханические стрелочные индикаторы при цифровой обработке информации, типичной для современных РЭС, требуют введения дополнительных цифро-аналоговых преобразователей. Эти противоречия устранены в электронных дискретно-аналоговых шкальных индикаторах, фактически представляющих собой знакосинтезирующие индикаторы, в которых сегменты вытянуты в виде рисок линейной шкалы (рис. 5.6, г). Комбинированные индикаторы сочетают преимущества цифрового и аналогового способов представления информации.
Кнопочное и сенсорное управление. В современных РЭС для управления широко используют кнопочные переключатели, позво-, ляющие осуществлять сложную коммутацию электрических цепей с помощью наиболее быстро и легко выполняемых управляющих движений — нажима пальцем руки. Кнопочные переключатели, объединенные в группы, называют клавишными панелями или клавиатурами.
148
% О 3 10 50 100 200 560%
-dB 40 30 20 10 8 6 4 2 0 2 4 6 10 15
% 0 3 10
50 100 200 560 %
3)
Рис. 5.6. Шкальные и стрелочные индукторы
В качестве переключающих узлов в маломощных низкочастотных цепях используют стандартные микропереключатели. Головки кнопок могут иметь квадратную, прямоугольную или круглую формы (рис. 5.7), причем для часто используемых кнопок круглая форма не рекомендуется. Для надежной установки пальца рабочая поверхность кнопок должна иметь небольшую вогнутость.
149
а
г..
• I Рис. 5.7. Формы приводных элементов кнопочных переключателей
Рис. 5.8. Приводные элементы тумблеров
Для уменьшения утомляемости при частых переключениях усилие нажима кнопки должно быть менее 0,5 Н, однако малые усилия и малый рабочий ход не позволяют использовать кинестетический анализатор и четко индицировать факт переключения. У наиболее распространенных кнопок под указательный палец усилие нажима 1...2 Н, а рабочий ход — 2...3 мм.
В кнопках без фиксации переключение определяют по возрастанию усилия нажимающего пальца и легкому щелчку, определяемому на слух. Удобны кнопки с подсветкой.
Наряду с механически переключаемыми кнопками широкое распространение получило так называемое сенсорное управление, использующее для переключения эффект изменения емкости электронной схемы при приложении пальца оператора к специально выделенному месту. Из-за отсутствия механических перемещений для фиксации переключений необходима визуальная индикация состояния сенсорного переключателя с помощью СОИ.
Тумблеры. Переключатели этого типа применяют в случаях, требующих двух-трех дискретных состояний переключателя, четко контролируемых зрительно или наощупь. При переводе тумблеров из одного положения в другое должен ощущаться перепад значений упругого сопротивления, а при переключении — характерный щелчок. У тумблеров широкого применения длина приводного элемента 10...25 мм при диаметре 3...8 мм.
При наличии на панели большого числа тумблеров их необходимо кодировать формой приводного элемента, размерами и цветом. Некоторые возможные формы приводных элементов приведены на рис. 5.8.
Поворотные переключатели. Органы управления этого вида предназначены для многопозиционного последовательного переключения цепей или ступенчатого регулирования параметров РЭС.
150
Для обеспечения хорошего сцепления с рукой на ОУ располагают крупные зубцы и впадины, равномерно распределенные по окружности. По мере роста сопротивлению перемещения на оси переключателя диаметр и высоту ручек увеличивают так, чтобы обеспечить приемлемые усилия оператора (1...2 Н). Для этих целей используют поворотные переключатели типа «клювик».
Основным недостатком поворотных переключателей является необходимость последовательного выполнения всех промежуточных переключений, что при большой разнице начальной и конечной позиций (до 20) требует большого числа дополнительных управляющих действий. Это увеличивает время управления и ускоряет износ переключающего узла, все контакты которого работают при любом переключении.
В современных РЭС поворотные переключатели успешно вытесняют кнопочное управление, свободное от отмеченных недостатков.
« 5.8. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАНЕЛЕЙ
И ПУЛЬТОВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Организация рабочего поля оператора. Часть пространства, где сосредоточены СОИ и ОУ в объеме, достаточном для функционирования системы, называют рабочим полем оператора [5.1]. В зависимости от сложности конструктивного исполнения и расположения РЭС на объекте установки возможны следующие варианты пространственной организации рабочего поля оператора:
на передних панелях отдельных РЭС, разнесенных друг от друга в пространстве (рис. 5.9,а);
на передних панелях отдельных РЭС, сгруппированных в стеллажах, шкафах или на рабочих столах операторов (рис. 5.9,6);
встраиваемых в стойки информационных панелях, на которые выведены оперативные СОИ и ОУ блоков (рис. 5.9,в);
на панелях пультов отображения информации и управления, специально вводимых в состав сложных комплексов (рис. 5.9,г).
В пультах сосредоточены все технические средства, необходимые для оперативного управления РЭС. С точки зрения работы оператора наименее удобен первый вариант рабочего поля, наиболее — последний (пульт), однако введение пульта усложняет и удорожает конструкцию системы, требует дополнительных кабельных и жгутовых соединений, а зачастую — введения систем дистанционного управления и телеметрии.
Пространственная организация рабочего поля тесно связана с рабочей позой оператора. Стандартными являются три рабочих положения: сидя, стоя и сидя—стоя (ГОСТ 23000—78). Работа
151
Рис. 5.9. Пространственная организация рабочего поля оператора
сидя мало утомляет мышцы, обесценивает выполнение точных движений, поэтому предпочтительна при организации рабочих мест, требующих непрерывного присутствия оператора. Работа сидя — стоя увеличивает рабочее поле оператора и дает возможность перераспределять статическую нагрузку мышц при смене рабочих положений. Такой режим используют в случае достаточно компактного размещения РЭС, не требующих непрерывного контроля и управления, что позволяет обслуживать их, переходя от одного РЭС к другому. При децентрализованном размещении и большом пространственном разнесении РЭС возможна работа только стоя, дающая большую физическую нагрузку на оператора.
Принципы размещения СОИ и ОУ. Сформулируем принципы инженерной психологии, определяющие размещение СОИ и ОУ. Минимизация числа СОИ и ОУ, разгружая оператора, повышает скорость управления и одновременно улучшает экономические показатели конструкции РЭС.
По принципу экономии движений каждое последующее движение должно быть естественным продолжением предыдущего, а его завершение—началом следующего. Предпочтительны непрерывные, плавные, круговые движения. При выборе траекторий 152
необходимо учитывать привычность движений, обеспечивающую автоматизм их выполнения.
По принципу значимости в зонах оптимального обзора и управления в первую очередь необходимо размещать наиболее важные, пусть даже редко используемые элементы, например индикаторы аварийных ситуаций. При одинаковой важности по принципу частости предпочтительны более часто используемые элементы.
В соответствии с принципом структурного соответствия целесообразно близкое пространственное расположение СОИ и ОУ, тесно связанных между собой.
Принцип ограничения длин массивов группируемых элементов, базирующийся на психологических закономерностях восприятия зрительной информации, предполагает разбиение больших массивов на группы по 3 или 5 (иногда 7) элементов в каждой, так как в них оператор может найти нужный элемент без пересчета.
Для повышения эффективности и надежности работы, улучшения взаимозаменяемости и сокращения сроков подготовки операторов чрезвычайно важна типизация и унификация их действий. Характеристики СОИ и ОУ, место их размещения должны предписывать оператору определенный стереотип действий, например высвечивание индикатора отказа должно автоматически вызывать последовательность действий при аварийной ситуации.
Оформление передних панелей во многом определяет внешний вид РЭС, так что при их разработке должны быть учтены также принципы художественного конструирования, рассмотренные в § 5.9.
Панели отображения и управления. Фронтальные размеры многих современных РЭС, например электронных измерительных приборов или телевизоров, определяют не внутренние конструкции, а именно, условия размещения СОИ и ОУ. В этом случае ориентировочная площадь передней панели 5п = Л5Уу;5;, где у,-—коэффициент, учитывающий зоны доступа или наблюдения, пояснительные надписи для z-ro элемента; Ks—статистический коэффициент заполнения передней панели, зависящий от вида РЭС, требований эргономики; 5”,-— площадь, необходимая для установки z-ro элемента.
Максимальные размеры передних панелей РЭС не превышают 500 мм, поэтому СОИ и ОУ, расположенные на них, при общепринятом расстоянии до оператора (около 1 м) всегда попадают в зоны удобного наблюдения и управления, но значимость отдельных зон панелей различна из-за зрительной и функциональной асимметрии человека. По информационной важности наиболее предпочтителен верхний левый угол. Поскольку правая рука более развита и приспособлена для точных движений, для управления предпочтительна правая сторона панели. Предпочтительные зоны расположения СОИ и ОУ,
153
Рис. 5.10. Расположение рабочих зон на панелях приборов и блоков
\ZZ\-индикация управление коммутация
включая зоны коммутации, для вертикальных передних панелей электронных измерительных приборов, приведены на рис. 5.10.
На первом этапе конструирования передней панели на основе изучения алгоритма эксплуатации необходимо составить траектории экономных движений оператора. Далее, используя принципы оперативной упорядоченности, значимости, частности и группирования, выполнить предварительное группирование и размещение с учетом важности зон панели, причем элементы. следует располагать на вертикальных и горизонтальных линиях условной координатной сетки (рис. 5.11). Базовая вертикаль сетки проходит через середину передней панели, а шаг рекомендуется выбирать из ряда 15, 20, 30, 40, 50 мм (ОСТ 4.270.000—83).
Приведенный на рис. 5.11 эскиз соответствует передней панели сложного многофункционального программируемого прибора (генератор от 10 кГц до 1,2 ГГц) с встроенными микропроцессорами и клавишным управлением. Здесь клавиатура установки режимов работы 1 предназначена для управления функциями, выполняемыми прибором. Клавиатура 2 обеспечивает ввод цифровых данных, выполнение арифметических операций с числами, функциональных преобразований выходных величин, например логарифмирование, набор и ввод новых программ работы прибора. С помощью клавиатуры 3 осуществляют управление параметрами
7 2 3
Рис. 5.11. Передняя панель функционального генератора с клавиатурами:
t
*
/ — установки режимов работы; 2—ввода данных; 5—управления параметрами
154
выбранного режима работы прибора, взаимодействие с другими приборами и ЭВМ через магистральные каналы.
При выборе направлений перемещения ОУ увеличению значений параметров должны соответствовать вращению ручек по ходу часовой стрелки, линейные перемещения движков—слева направо и т. д. Таких же правил следует придерживаться при организации движения стрелок индикаторов.
Обычно клавиши имеют форму, близкую к квадрату, а более важные — выделяют двойным или большим увеличением одной из сторон (см. рис. 5.8). Минимальный зазор между головками клавиш, определяемый удобством манипуляции и легкой раздельности переключений, равен 2...5 мм. Группы выделяют, оставляя большие промежутки между элементами, используя рамки, объединяющие надписи, цвета элементов и панели.
Конструктивное исполнение клавишных панелей возможно не только из отдельных сгруппированных клавиш, но и из единых клавиатур типа микрокалькуляторных. К преимуществам таких клавиатур следует отнести относительно низкую стоимость, более высокую плотность размещения клавиш, к недостаткам—менее четкую фиксацию срабатывания.
Примеры правильного и неправильного оформления панелей приведены в ОСТ 4.270.000—83.
Пульты отображения информации и управления. Основными узлами пультов являются панели отображения информации и управления, однако для эффективного взаимодействия с оператором важна не только их организация, но и конструкция пульта в целом. В свою очередь, форму и размеры пульта во многом определяет информационная насыщенность его панелей. Пульты малой сложности могут быть реализованы в настольном исполнении или встроены в РЭС, а более сложные — в виде напольных конструкций, обеспечивающих лучшие условия работы оператора.
Большое значение имеет высота пульта. Высокие пульты (свыше 1650 мм) используют при повышенной информационной нагрузке и ограниченных площадях, низкие (до 1000 мм) — при необходимости следить за показаниями расположенных за пультом приборов, однако наибольшее распространение получили пульты средней высоты (1100...1300 мм).
При эксплуатации РЭС практически во всех случаях достаточно фронтальных пультов. Эргономически обоснованная форма и размеры пульта стационарных РЭС приведены на рис. 5.12.
Конструкции пультов разнообразны, однако для всех видов, кроме настольного, характерна консоль (стол), выступающая в сторону оператора и предназначенная для опоры рук. Несмотря на относительную свободу в выборе форм и размеров пультов, вопросы, связанные с эргономическим согласованием, жестко регламентированы целой системой государственных и отраслевых стандартов, например ГОСТ 23000—78.
155
Рис. 5.13. Разделение панели фронтального пульта на зоны:
7 наблюдения; 2 -второстепенная наблюдения; 3— периферийная; 4 — центральная; 5.— второстепенная управления; 6 — периферийная управления; 7—вспомогательная
Рис. 5.12. Вертикальные размеры пульта при работе оператора сидя
Разделение панели фронтального пульта на зоны, учитывающие восприятие и моторную деятельность оператора, приведено на рис. 5.13. Для наблюдения за центральной зоной 1 не требуется перемещения глаз, поэтому здесь размещают наиболее ответственные и часто наблюдаемые СОИ, а наименее важные — в периферийной зоне 3. Наиболее ответственные и требующие точных движений ОУ располагают в центральной зоне управления 4. Соседнее расположение зон 1 и 4 позволяет группировать и сопрягать в пространстве функционально связанные СОИ и ОУ, что повышает эффективность выполнения наиболее важных управляющих действий. Ориентировочным значением ширины зоны 1 можно считать 400 мм, а зоны 4 — 600 мм. Зона 7 предназначена для опоры рук оператора, выполнения записей и других вспомогательных действий.
При группировании СОИ и ОУ, конструировании панелей пультов следует руководствоваться теми же правилами и принципами, что и при конструировании передних панелей РЭС, учитывая отмеченную специфику разделения рабочего поля оператора.
Автоматизация конструирования панелей управления. Конструирование панелей является творческим процессом, требующим учета большого числа субъективных или нечетко определенных факторов, так что фактически процесс автоматизированного проектирования панелей управления представляет собой автоматизированное графическое редактирование эскиза панели, выполнен-156 ' ' . '
ного конструктором, и выпуск конструкторской документации с помощью комплекса АРМ. Важным моментом, объясняющим высокую эффективность автоматизированных систем, является наличие библиотек типовых изображений и пакета прикладных программ для работы в диалоговом режиме.
До начала составления формализованного задания (ФЗ) конструктор разделяет эскиз на постоянную и переменную части. К постоянной части относят данные, которые не могут быть изменены в процессе проектирования, например размер панели, к переменной — изменяемые в процессе графического редактирования. В процессе размещения СОИ и ОУ оператор в диалоговом режиме взаимодействует с «графическим редактором», осуществляя ввод, перемещение и удаление элементов. На всех этапах работы, начиная с ввода ФЗ, подсистема осуществляет синтаксический контроль, сообщая оператору об ошибках. В случае недопустимых указаний при размещении СОИ и ОУ никаких изменений не происходит, а выдается сообщение об ошибке.
После завершения графического редактирования включают подсистему, обеспечивающую автоматический выпуск конструкторской документации.
5.9. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭСТЕТИКИ И ЗАДАЧИ ХУДОЖЕСТВЕННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ
Основные понятия, термины и цель технической эстетики. Техническая эстетика— это научная дисциплина, предметом которой является область деятельности художника-конструктора. Техническая эстетика изучает общественную природу и закономерности развития дизайна, основополагающие принципы и методы художественного конструирования, проблемы стиля и мастерства [5.4].
Целью художника-конструктора (дизайнера) является создание совместно с другими специалистами, в первую очередь с конструкторами и технологами РЭС, изделия, отвечающего физиологическим, социальным и эстетическим требованиям человека. Специфика изделия, применяемые материалы, условия эксплуатации, производственные характеристики открывают возможности для технической эстетики. Поэтому, помимо чисто профессиональных знаний в области дизайна, художник-конструктор должен овладеть определенными техническими знаниями.
С другой стороны, назначение и характер построения и компоновки РЭС во многом определяют эстетические показатели (композиционная целостность, пропорции и др.). Поэтому конструктор РЭС также должен быть знаком с основными категориями и понятиями технической эстетики. На любой стадии проектирования РЭС работа конструктора связана с работой дизайнера. Одновременно с обоснованием и выбором варианта конструкции необходимо продумать вопросы технической эстетики [5.4].
Проектирование внешних объемов (форм, пропорций, габаритных размеров) РЭС включает построение системы модульной координации размеров проектиру
157
емых комплексов, установление масштабной соразмерности элементов отдельных приборов между собой и в целом, определение зон размещения внешних установочных элементов и выбор системы цветового решения.
Под элементом здесь и в дальнейшем будем понимать одну составную (неделимую) часть некоторого целого. Например, элементом может быть формообразующая линия (элемент формы), обрамление шкалы (внешний установочный элемент) и др. Понятия «элемент» и «неделимость» носят относительный характер — сложные объекты могут быть элементами в другой ситуации.
При конструировании внешних объемов РЭС, как правило, предусматривается возможность геометрической совместимости функциональных блоков при их одновременной эксплуатации в комплексе. Для этого лучше всего подходит функционально-узловой метод.
Требования рациональности форм и композиционной целостности внешних объемов РЭС. Все РЭС должны обладать композиционной целостностью, т. е. элементы формы должны находиться во взаимосвязи и гармоническом единстве. Гармонией является строгое согласование отдельных составных частей целого, соразмерность всех элементов. Гармоническое единство отражает логику и органичность связи конструктивного решения с его композиционным воплощением.
Композиция —строение (структура) художественного произведения или изделия, распределение и взаимные связи его частей, что определяют идейный замысел и задачи. Основу композиции составляет объемно-пространственная структура и тектоника объекта.
Тектоникой называется выражение закономерностей строения предмета, присущих его конструктивной схеме, его объективных физических свойств, соотношения масс, несущих и несомых частей и т. п. Тектоника — это зримое отражение в форме работы конструкции и организации материала. Тектоника в технике проявляется во взаимном расположении частей предмета, его пропорциях, ритмическом строе форм и др. Другими словами, проявления тектоники многообразны и связаны с конструкцией, материалами и выполняемыми функциями.
Композиционная целостность — понятие о построении целостного произведения (изделия), все элементы которого находятся во взаимосвязи и гармоническом единстве. Главная особенность этих связей — соподчиненность, без которой не существует целостность. Второстепенные элементы должны подчиняться главным элементам, основному звену композиции или композиционным центрам. Следует отметить, что композиционные схемы РЭС обладают большой гибкостью компоновки. Это позволяет создавать разнообразные композиции, что в других отраслях техники, например в машиностроении, сделать трудно.
Композиционная целостность в РЭС может быть достигнута различными методами: введением в композицию дополнительного элемента, наложением, соединением и пересечением контуров (см. рис. 5.14).
При конструировании внешних объемов РЭС необходимо принимать оправданное пластическое решение формы, создающее впечатление замкнутого непрерывного целого с логичными и согласованными между собой переходами отдельных форм аппаратуры. Пластикой называется предметно-пространственная выразительность формы изделия, созданная разработкой ее тектоники и характера поверхности. Формы основных объемов в целом должны быть просты, лаконичны,
158
««Nt.
a;
г)
Рис. 5.14. Методы достижения целостности композиции:
а—введением дополнительного элемента; б — наложением контуров: в— соединением контуров; г —пересечением контуров
без сложных ломаных контуров и фигур, замысловатых конфигураций. В большинстве случаев форма РЭС создается прямолинейными образующими, и криволинейные поверхности встречаются обычно в виде переходных или промежуточных элементов. Вопросы композиции подробно изложены в [5.5].
Пропорции — это определенное соотношение частей между собой и целым, они являются одним из основных средств гармонизации формы. Размеры частей и элементов изделия должны подчиняться определенной системе.
Пропорции в технике имеют большое значение, особенно в случаях, когда изделия представляют собой системы унифицированных элементов. Сама унификация (см. гл. 3) немыслима без строгой организации структуры.
Существуют несколько видов систем пропорций: арифметическая, геометрическая, «золотого сечения», иррациональных отношений и др.
Арифметическая система основывается на соотношении
Hl — H2 — H2 — H3 = ... = Hi — Hi+l = ... = Hn^i—H„,
где Н,— размер стороны прямоугольника (см. рис. 5.15,а).
Для геометрической пропорциональности (рис. 5.15,6) характерно наличие общего члена в соотношении размеров:
^1=^2= Н«~'
н2~ н3~" Hi+l " Н„
На рис. 5.15, в показана система иррациональных отношений, где отношения высот прямоугольника относятся как
нх J\ н2 Ji н3 . Уз
77" — /т ’ ~т7~ ~ г~ ’ ~гт~ ~ п. и т- д’
у 2 "з уз "4 у 4
В системе «золотого сечения» целое так относится к своей большей части, как большая часть к меньшей (рис. 5.15,г). Пропорции «золотого сечения», например Мг1М2 и М2/М3, определяются графическим построением на прямоугольном треугольнике, который имеет соотношения катетов как 1:2. Радиусом R3 = 0,5 из центра О находят точку Ct на гипотенузе треугольника, через которую в свою очередь из центра О} проводят радиус г2 = М2. Затем аналогичным путем, из центра О радиусом Л2 находят точку С2 и определяется-радиус г3 = М3. «Золотое сечение» наиболее целесообразно использовать для изделий прямоугольной конфигурации, развитой в вертикальном направлении, при небольшом количестве членений. Пример применения этой системы пропорции для композиции РЭС показан на рис. 5.16. .... , . .?•
159
Вг В3 В4
Ht-H2-H2-H3-H3-H,p, в1~в2’В2~в3”В3~в^
Н,_Н2_Н3 . Bi.BzJz н2 н3 Н„'В2В3В^
В^З^Вц-В^!
Рис. 5.15. Системы пропорций:
а—арифметическая; б—геометрическая; в—иррациональных отношений; г — «золотого сечения»
;(Й
Ритм — средство композиции, обеспечивающее выделение и связь элементов формы путем их повторения, чередования, нарастания и убывания.
Часто РЭС, в соответствии с принципом действия и конструкцией, имеет повторяющиеся элементы, например последовательно расположенные блоки, индикаторы и др. Средством композиции может служить их закономерная повторяемость.
Имеется метрическая и ритмическая повторяемость. Метрическая повторяемость (метр) основывается на повторении через равные интервалы. Она создает впечатление покоя, статичности (рис. 5.17, а). Ритмическая повторяемость, наоборот, закономерным чередованием элементов подчеркивает динамичность (рис. 5.17,6). Размеры блоков здесь постепенно нарастают.
Ритм позволяет упорядочить хаотическое нагромождение различных элементов и приборов. Следует отметить, что повтор как единая группа или система воспринимается зрителем только тогда, когда число чередующихся элементов превышает шесть, семь. Сбивка ритма обычно нарушает целостность. Недопустимо даже почти незаметное изменение закономерностей ритма, акцент в ряду должен быть только явным. Ритм в технике выражается очень разнообразно — изменение размеров конструкции, нарастание плотности структур, светлости окраски и др.
Масштабность — установленное соотношение создаваемого предмета с определенной мерой. Масштабность определяет соответствие одного предмета другому 160
«золотого сечения»
или нескольким предметам при их сопоставлении, а также пропорциям человеческого тела. Для достижения гармонического единства элементов внешних объемов отдельных функциональных блоков с формой РЭС необходимо соблюдать масштабную соразмерность с пропорциями человека-оператора, с размерами РЭС и ее элементами, с пропорциями и габаритами окружающей среды изделий, совместно с которыми эксплуатируется РЭС.
Суть гармонического единства здесь состоит в отражении правильных связей между аппаратурой и человеком-оператором. Таким образом, пропорции являются средством достижения масштабности устройств различных габаритов.
Масштабность предмету придают также мелкие выступы, детали управления, соответствие пропорций между элементами устройств и истинными нагрузками. Единство масштаба — одно из необходимых условий для достижения не только эстетических качеств, но и средство обеспечения высокой надежности в системе «человек—машина».
Контраст — прием композиции, резко выраженное противопоставление. Он позволяет ярче выделить функциональные и конструктивные особенности сопоставляемых элементов.
Контраст в технике может проявляться в различном виде: низкое противопоставляется высокому, светлое — темному, шероховатое — гладкому. Часто контраст выражается компоновкой изделий, когда элементы с различным функциональным назначением ярко выделяются (рис. 5.18). В сложных системах выделением наиболее ответственных частей пульта достигается надежность, уменьшается притупленность внимания оператора.
Однако чрезмерный контраст может вызывать преждевременное утомление. Недопустимо, когда контраст нарушает целостность композиции изделия (см.
6 Зак. 2019 161
a)
Рис. 5.18. Упорядоченность композиции:
а--правильно, с использованием контраста; б — неправильно, с нарушением целостности композиции
б)
рис. 5.18,6). Иногда достаточно эффективно и оправданно чередование блестящих, полированных поверхностей с выраженно шероховатыми.
Одним из наиболее ярких свойств композиции является симметрия. Проявления асимметрии в симметричной системе имеют сложный характер, но в подчеркнуто симметричной форме недопустимы даже небольшие отступления от симметрии. Если, например, передняя панель по отношению к ее элементам выполнена ярко симметрично, то тогда симметрия должна быть отражена и в деталях.
В конструкциях современных РЭС абсолютная симметрия практически не осуществима и нарушения равновесия будут менее выражены в случае полного отказа от симметрии (см. рис. 5.18). Однако технически необоснованная асимметрия нарушает всю тектоническую основу. На рис. 5.19 показан пример [5.5] явного нарушения тектоники — массивная, асимметрично расположенная часть аппарата вторглась в легкое, ажурное основание. Контраст всегда связан с нюансом.
Нюанс—прием композиции, незначительное различие в однородных элементах по форме, размерам, цвету и т. п. Использование нюанса зависит от детального уточнения и разработки характера формы, выбора материалов и обработки поверхностей деталей. Нюансировка не связана с компоновкой изделия и определяется беспредельно разнообразной гаммой вариантов различных материалов, фактуры, отделок, цвета, формы и др. Особое значение нюансировка приобретает
Рис. 5.19. Пример конструкции необоснованной асимметрии
при конструировании элементов, связывающих аппаратуру с оператором (пульт управления, передняя панель, элементы индикации и др.). Иногда следует пользоваться правилом: то, что нельзя скрыть, необходимо акцентировать. Винт, применение которого диктуется конструкцией (или технологией), должен нюансно отличаться своей формой, отделкой, цветом. Линия раздела четко определяет место примыкания деталей.
Эстетическими категориями, которые представляют собой систему единых признаков, временно объединяющих в технике предметную среду, являются стиль и мода.
162
Мода, по сравнению со стилем, менее стабильна, и смена принципов происходит быстрее. Она оказывает самое непосредственное внимание на все приборы бытового назначения и часто становится определяющим фактором художественной выразительности. При обеспечении требований стиля и моды учитывается назначение и срок службы изделия. Для профессиональных РЭС и РЭС с более длительным сроком эксплуатации влияние моды должно быть менее активным. Стилевая направленность и общественный вкус используются эластично, с учетом конкретных требований к проектируемой аппаратуре.
Требования гармонического цветового решения внешних объемов РЭС. При выборе цветового решения внешних объемов РЭС необходимо обеспечить гармоничность общего цветового решения, применять выразительные тональные соотношения отдельных элементов по отношению к целому и подчинять цветовое решение функциональному назначению РЭС. Цветовое решение является одной из наиболее сложных задач композиции и требует большого вкуса и навыков от конструктора.
При тональном и цветовом решениях внешних объемов РЭС необходимо учитывать требования эргономики и назначение изделия. Например, для условий напряженной умственной деятельности и деятельности, связанной со значительными физическими нагрузками, следует применять холодные и спокойные оттенки, монотонная работа требует перехода от спокойных сочетаний оттенков к более контрастным. Для работы средней тяжести в окраске аппаратуры следует применять теплую гамму цветов. Периодический характер работы требует применения в окраске сочетания теплых цветов.
Красный цвет и близкие ему оранжевый, оранжево-красный и другие являются теплыми красками. Синий, сине-зеленый, сине-фиолетовый и другие являются холодными цветами.
Темные краски выглядят тяжелее. Из хроматических цветов легкими считают светло-желтый, светло-зеленый и др., тяжелыми — темно-красный, темно-коричневый, темно-зеленый и др.
Поскольку гармония цветов зависит от выбранных цветовых тонов, то дать точные указания невозможно, и обычно гармонические цвета выбирают экспериментально, сравнивая различные образцы поверхностей.
Психологически красный цвет возбуждает нервную систему. Темно-синий и фиолетовый оказывают подавляющее влияние, хотя это вовсе не означает, что эти цвета неприменимы вовсе. На небольших площадях в контрасте или в гармонии с другими цветами их применение вполне оправданно. Зеленый цвет успокаивающий. Коричневый цвет влияет успокаивающе и создает уют.
Восприятие цвета зависит от освещенности и осветительной аппаратуры. Недопустимы отраженные цветовые потоки, которые могут сильно повлиять на работу оператора. Поэтому не рекомендуется использование поверхностей пультов управления и отсчетных устройств с большим коэффициентом отражения и яркостью, одинаковыми по всем направлениям.
Психологическое воздействие различных цветов используется как источник информации или как своеобразный код. Некоторые цвета и их возможные области применения показаны в табл. 5.4.
Степень воздействия цветов может быть усилена использованием символических фигур и знаков определенной формы.
6* 163
Таблица 5.4. Возможные области применения цветов
Цвет Функция воздействия Код монтажных проводов
Красный Непосредственная опасность. Цепи высоких напряжений.
Желтый Включение питания Возможные опасности положительный потенциал Различные цепи
Зеленый Безопасность.» нормальное функционн- Сигнальные цепи
Синий (голубой) рование аппаратуры Различная информация Отрицательный потенциал '
Белый Указание границ параметра Различные значения
Черный Оранжевый Движение Корпус, заземление Цепи малых напряжений
Например, употребление предупреждающего цвета в виде знака в наиболее опасном месте будет более эффективным, чем общее цветовое покрытие этого участка аппаратуры.
Кроме того, если аппаратура в процессе эксплуатации располагается на близком расстоянии от оператора, то насыщенность цвета окраски должна быть невысокой. Если аппаратура расположена от наблюдателя на расстоянии более 20 м, то цвет должен быть насыщенным и система окраски должна обеспечивать четкое разграничение частей аппаратуры [5.4].
Эти требования особенно важны при разработке профессиональной аппаратуры.
Для бытовой техники, кроме эргономики, особую роль играет гармония цветового ансамбля всего интерьера.
Однако цвет должен быть также увязан с объемно-пространственной структурой изделия [5.5]. Цвет связан с пропорциями, масштабом, контрастом и нюансом. Поэтому с помощью цвета можно акцентировать необходимые элементы формы и скорректировать не слишком удачные пропорции (когда технически нет возможности изменять сами внешние объемы). Вполне оправдано выделение другим цветом отдельных зон управления как активных цветовых контрастов.
Элементы внешних объемов РЭС, требующие определенного внимания при работе, следует выделять цветом, контрастным цвету основных объемов аппаратуры. Например, цвет поверхности лицевой панели аппарата может контрастировать с цветом других поверхностей этого прибора, зоны индикации и управления могут иметь различное цветовое решение [5.4]. Матовые покрытия позволяют получить чистые тона, а глянцевые — определенность и четкость формы. Поверхности панелей и пультов управления следует делать матовыми с коэффициентом отражения 20...30%.
Покрытия, имеющие шероховатость структуры, позволяют маскировать мелкие дефекты, возникающие при производстве, и наоборот, глянцевые поверхности зрительно усиливают отклонения от идеальной геометрической формы. Таким же образом светлые тона менее требовательны к качеству поверхности, чем темные. Сложные объемно-пространственные структуры требуют осторожности в применении нескольких цветов и тональных отношений.
Конструктор всегда должен использовать достоинства естественной фактуры материала (древесины, металла, пластмассы, стекла и др.), не применяя окраску поверхностей. Даже отличная имитация материала, например дерева, не может
164
передать характерные свойства природных материалов. Металлизация поверхностей, несмотря на тонкий слой, почти всегда раскрывает естественную структуру материала (при качественном исполнении) и создает необходимый эффект. Здесь имеется возможность нюансировать при помощи применения глянцевых и матовых поверхностей. Важны тончайшие оттенки цвета и фактуры покрытия.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Определите понятие «система человек—машина (СЧМ)» и докажите, что РЭС входит в такие системы.
2. Обоснуйте отличие между РЭС и элементной базой, сформулируйте основной показатель различия.
3. Определите сущность задачи и особенности взаимодействия человека-оператора с РЭС.
4. Какие психические процессы свойственны деятельности человека-оператора и какое значение имеет их понимание при конструировании РЭС?.
5. Дайте характеристики оператора при его работе по выделению информации, вводу РЭС в действие, техническому обслуживанию и ремонту.
6. Основные рецепторы, их характеристики и особенности их учета при конструировании РЭС?
7. Назовите показатели и дайте количественную характеристику антропометрическим показателям оператора.
8. Охарактеризуйте основные принципы конструирования пультов управления и панелей.
9. Сформулируйте рекомендации по размещению средств отображения информации и органов управления.
10. В чем состоят задачи художественного конструирования.
11. Охарактеризуйте основные пути обеспечения высокого эстетического уровня РЭС.
I
Глава 6. ПРИНЦИПЫ РАЗУКРУПНЕНИЯ РЭС И КОНСТРУКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
6.1. УРОВНИ РАЗУКРУПНЕНИЯ РЭС
Иерархия и разукрупнение. Следует иметь в виду, что разукрупнение— не искусственный прием, а отражение внутренних свойств сложных систем. Основные факторы, обуславливающие необходимость разукрупнения сложных РЭС:
ограниченные психофизиологические и антропометрические характеристики требуют разделения сложных объектов на части, учитывающие возможности человека;
высокие показатели ремонтопригодности и готовности к применению по назначению, эффективное техническое обслуживание сложных РЭС возможны только при быстром обнаружении и замене отказавших подсистем достаточно высокой сложности, а не изделий электронной техники;
165
разукрупнение РЭС позволяет организовать параллельную разработку и изготовление отдельных частей, что значительно сокращает сроки введения в эксплуатацию изделия в целом;
в ряде случаев — ограничение габаритов объектов-носителей, аппаратных помещений или отсеков.
Важнейшим свойством сложных систем является то, что полученные в результате разукрупнения разных систем части могут быть объединены в классы, называемые уровнями разукрупнения РЭС. При разукрупнении систем обязательно соблюдение иерархического принципа, в соответствии с которым систему необходимо разбивать на уровни таким образом, чтобы подсистемы старших иерархических уровней обобщали задачи младших, а подсистемы младших выполняли конкретизацию решений старших уровней.
Известно, что для решения любой практической задачи достаточно небольшого числа (3...5) уровней, поэтому всегда устанавливают высший и низший, не делимый при данной постановке задачи уровень. Неделимость любых реальных подсистем всегда условна, поскольку возможна постановка новых задач, не только допускающих, но и требующих дальнейшей детализации. Так, ИС для изготовителей РЭС представляет собой неделимое изделие, а для предприятий электронной промышленг ности — изделие высшего уровня, состоящее из большого числа деталей. Низший иерархический уровень могут занимать не только поступающие извне изделия, но и разрабатываемые, например печатные платы. В качестве старшего уровня обычно принимают систему в целом.
В зависимости от постановки задачи возможны различные способы разукрупнения одной и той же системы. В соответствии с ГОСТ 26632—85 уровни разукрупнения РЭС определяет функциональная или конструктивная сложность.
В гл. 2 приведены сведения по разукрупнению РЭС в объеме, достаточном для понимания терминов и содержания излагаемого материала. Напомним, что введены четыре уровня разукрупнения по функциональной сложности: радиоэлектронная система, радиоэлектронный комплекс, радиоэлектронное устройство, радиоэлектронный функциональный узел. Разукрупнение РЭС по конструктивной сложности представляет собой один из наиболее ответственных и творческих этапов в работе инженера-конструктора и требует более глубокого рассмотрения.
Разукрупнение РЭС по конструктивной сложности. В качестве основы разукрупнения РЭС по конструктивной сложности в ГОСТ 26632—85 приняты несущие конструкции.
Несущая конструкция—элемент конструкции или совокупность элементов конструкции, предназначенные для размещения технических средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. По сложности НК разделены на три уровня. К первому уровню отнесены несущие конструкции 166
(НК1), предназначенные для размещения изделий электронной техники и электротехники и входящие в НК более высоких уровней. Несущая конструкция второго уровня (НК2) предназначена для размещения РЭС, выполненных на основе НК1, третьего уровня (НКЗ)—для размещения РЭС, выполненных на основе НК2 и (или) НК1.
При разукрупнении по конструктивной сложности РЭС разделены на три уровня, однозначно связанные с уровнями НК: радиоэлектронная ячейка (ячейка) — РЭС, выполненное на основе НК 1;
радиоэлектронный блок (блок) — РЭС, представляющее собой совокупность ячеек и выполненное на основе НК2;
радиоэлектронный шкаф (шкаф) — РЭС, представляющее собой совокупность блоков и (или) ячеек и выполненное на основе НКЗ.
Наименования уровней разукрупнения РЭС (ячейка, блок, шкаф) достаточно условны, так как на каждом уровне возможны модификации изделий, имеющие собственные названия, например для третьего уровня наряду со шкафом—стойка или пульт. Конкретизация состава уровней выполнена в следующем разделе.
Разукрупнение по конструктивной сложности РЭС в модульном исполнении связано в ГОСТ 26632—85 базовыми несущими конструкциями.
Базовая несущая конструкция — несущая конструкция, предназначенная для размещения РЭС различного функционального назначения, габаритные размеры которой стандартизованы. Несмотря на то, что в ГОСТ 26632—85 в качестве признака БНК указана только стандартизация размеров НК, на них должны быть распространены и признаки более общего понятия базовых конструкций. В общетехническом понимании базовые конструкции представляют собой изделия, в которых определенные конструкторские решения сохранены неизменными (унификация и типизация) для ряда изделий. Поскольку БНК представляют собой частный случай несущих конструкций, то для них также справедливо разделение на три уровня: БНК1, БНК2 и БНКЗ. Определения БНК2 и БНКЗ аналогичны НК2 и НКЗ, а в определении БНК1 введено дополнение, связанное с тем, что для РЭС в модульном исполнении введены четыре, а не три, как в общем случае, уровня разукрупнения: нулевой, первый, второй и третий.
Радиоэлектронный модуль (РЭМ) — функционально законченное РЭС, выполненное на основе базовой несущей конструкции того или иного уровня разукрупнения и обладающее свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости.
Радиоэлектронный модуль первого уровня (РЭМ1) представляет собой функционально законченную ячейку или кассету, выполненную на основе БНК1 и обладающую свойствами функциональной и конструктивной взаимозаменяемости, РЭМ2 — блок на основе БНК2, РЭМЗ — шкаф на основе БНКЗ............
167
Радиоэлектронный модуль нулевого уровня (РЭМО) представляет собой РЭС, предназначенное для реализации функций преобразования информации или преобразования сигналов и выполненное на конструктивной основе, размерно координируемой с БНК1 и обладающее свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости. Фактически РЭМО представляют собой РЭФУ, собранные на печатных платах, и вводятся из-за широкого распространения печатного монтажа.
В ГОСТ 26632—85 при разукрупнении РЭС по конструктивной сложности так же, как и при разукрупнении по функциональной сложности, не введен уровень изделий электронной техники (ИЭТ). Выбор низшим уровнем ячейки РЭМО оправдан с точки зрения конструктора РЭМ, так как соответствует основному требованию к конструкции РЭС — соединение неделимых комплектующих изделий. В то же время для обеспечения конструктивной совместимости при конструировании сложных РЭС уровень комплексов целесообразен. Схема входимости РЭС, учитывающая сказанное, приведена на рис. 6.1.
Микросборки выделены особо, поскольку их разрабатывают и производят изготовители РЭС, но после выпуска используют наряду с другими ИЭТ.
Ограничения при разукрупнении по конструктивной сложности. Разукрупнение может быть выполнено только в том случае, если известны геометрические размеры модулей, определяющие не только вместимость, но и тепловые режимы, электромагнитную совместимость и другие важнейшие конструктивные показатели РЭС, включая надежность. На геометрические размеры влияет большое число факторов, причем степень влияния одних и тех же факторов может существенно отличаться на разных уровнях разукрупнения.
Конструкцию РЭС высших уровней разукрупнения определяет целевое назначение, объект установки, требования эргономики и технической эстетики. Для создания РЭС большой сложности в виде единого целого (сборочной единицы) массогабаритные показатели модулей высших уровней должны быть близкими к предельно допустимым с точки зрения антропометрических характеристик человека (см. § 5.6). В частности, из соображений удобства работы оператора высота шкафа не должна превышать 2200 мм; масса нерасчленяемых при перемещении конструкций — не больше 150...200 кг. Типичным примером ограничений размеров РЭС как объекта установки является требование обеспечения транспортировки корабельных РЭС через люки (600 х 600 мм). Большое влияние на выбор размеров оказывают эстетические требования к внешнему виду РЭС.
Характер влияния рассмотренных факторов на конструкцию блоков (РЭМ2) несколько иной, а их значимость уменьшена. Несмотря на это вопросы эргономического согласования необ-168
Рис. 6.1. Схема входимости радиоэлектронных средств
ГГ >'Л
ходимо учитывать и в этом случае, к примеру, масса модулей не должна превышать 30 кг, а устанавливаемых в верхних рядах шкафов — даже 10... 15 кг. С другой стороны, в аспекте ремонтопригодности РЭС размеры блоков должны быть достаточными для размещения 10...50 ячеек. Объект установки оказывает существенное влияние на геометрические размеры блоков при их размещении не в шкафах, а в выделенных для этой цели нишах или полостях.
Ячейки (РЭМ1) имеют относительно небольшие размеры и массу. Восстановление работоспособности РЭС в модульном
169
исполнении наступает после обнаружения и замены неисправной ячейки. Время съема и установки легкосъемной ячейки в основном зависит от конструкции присоединительных узлов, так что увеличение сложности и размеров ячейки оказывает относительно небольшое влияние на Тв. Введение многоконтактного электрического соединителя всегда уменьшает среднее время наработки и может быть оправдано в том случае, если связанные с ним отказы не становятся основными, т. е. ячейка должна быть достаточно крупногабаритной.
Следовательно, при оценке размеров ячеек следует принять во внимание, что их увеличение целесообразно исходя из следующих соображений: возможности размещения РЭС достаточной функциональной сложности; повышения ремонтопригодности устройств; снижения влияния отказов соединителя на общую надежность модуля; снижения доли изделий, вводимых только для придания конструктивной завершенности. В то же время при увеличении размеров ухудшаются показатели безотказности и ремонтопригодности самих ячеек, усложняется организация ЗИП.
6.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Структура и состав конструкционных систем. Конструкционная система (КС) представляет собой совокупность БНК разных уровней разукрупнения, обеспечивающую создание требуемого множества РЭС и организованную на основе определенных размерных соотношений с учетом условий эксплуатации, инженерной психологии, технологии производства. Разработка КС предполагает не только проведение комплексной унификации размеров, сортамента, конструктивно-технологических решений, но и создание типовых элементов конструкций, узлов и НК модулей различных уровней разукрупнения. Для КС обязательно разрабатывают полный комплект базовой конструкторской документации и экспериментально подтверждают получение требуемых паспортных характеристик.
По способу построения КС представляют собой системы универсально-сборных каркасных конструкций, основу построения которых составляют сборные каркасы различных уровней, видов и типоразмеров.
Под каркасом понимают остов сборочной единицы или РЭС в целом, собранный, как правило, из отдельных элементов и обеспечивающий прочность и жесткость конструкции при заданных внешних воздействиях. В некоторых конструкционных системах такие сборочные единицы называют рамами, шасси и т. п.
Наружные оболочки (кожухи), выполняемые, как правило, из листовых материалов, предназначены для придания конструкции завершенного вида, защиты от внешних климатических и механических воздействий, электромагнитного экранирования. Листы,
170
составляющие оболочки, называют панелями, крышками или стенками. При невысокой интенсивности механических воздействий допустимы бескаркасные варианты, в которых прочность и жесткость обеспечивают собранные в единое целое элементы конструкции и панели, несущие в этом случае механическую нагрузку.
Одним из важнейших требований к КС является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Для получения высокой эффективности экранирования КС в целом недостаточно использования металлов или металлизации при изготовлении элементов конструкции. При разработке КС должны быть разработаны соединения, обеспечивающие малое сопротивление контактного перехода между отдельными деталями КС, конструкции заземления РЭМ разных уровней разукрупнения. Обеспечение ЭМС рассмотрено в гл. 9.
Разработанные КС, отличаясь в деталях, сохраняют много общих черт. Анализ наиболее распространенных отечественных и зарубежных систем показывает, что число уровней в них варьируется в пределах 3...5, причем в большинстве систем четыре уровня, в трехуровневых системах монтажные платы (нулевой уровень) фактически объединены с каркасами первого уровня, а пятиуровневые — расширены за счет уровня ИЭТ.
Для выяснения типичного состава изделий в КС рассмотрим широко распространенную и детально разработанную систему унифицированных типовых конструкций (УТК), структурная схема которой приведена на рис. 6.2 (ГОСТ 20504—81). Эта структура, уровни разукрупнения которой, по сути, соответствуют ГОСТ 26632—85, является иерархической. ,
Нулевой, уровень
Первый уровень
Второй уровень
TSBPA [^1 иЛ Г^1 М Г^1 [А]
уровень
З.П 332
Рис. 6.2. Структура конструкционной системы по ГОСТ 20504—81:
0.1—монтажные вдвижные платы; 1.1 — частичные каркасы; 1.2 — частичные переходные каркасы; 1.3 — частичные приборные каркасы; 2.1—блочные вставные каркасы; 2.2 — комплектные вставные каркасы;
2.3 — блочные приборные каркасы; 2.4 — комплектные приборные каркасы; 3.1—встраиваемые кожухи; 3.4 — напольные шкафы; 3.5 — настенные шкафы; 3.6 — стационарные стойки; 3.7 — передвижные стойки; 3.8 — настольные стойки; 3.9 — столы; 3.10 — подставки; 3.11—секции пультов; 3.12—секции щитов
171
Рис. 6.3. Сборные несущие конструкции:
а—частичный вставной каркас с печатной платой; б — многоплатный частичный вставной каркас; в — частичный приборный каркас
Нулевой уровень занимают выдвижные монтажные платы для объединения ИЭТ. Действительно, платы могут входить во все подсистемы первого, второго и третьего уровней разукрупнения, следовательно, в отношении входимости нулевой уровень действительно лучше, к примеру, третьего, который соответствует устройствам, специально разрабатываемым для решения каких-то конкретных задач. В то же время совершенно очевидно, что монтажные платы соответствуют РЭМО, т. е. низшему уровню разукрупнения РЭС в модульном исполнении ГОСТ 26632—85.
Занимающие первый уровень частичные каркасы (рис. 6.3) предназначены для размещения, объединения электрическими и другими связями, присоединения к внешним цепям изделий, собранных, как правило, на монтажных вдвижных платах.
Второй уровень составляют комплектные и блочные каркасы, объединяющие изделия, выполненные на частичных каркасах и (или) платах. Комплектные каркасы представляют собой каркасы с передними панелями. Примеры конструкций блочных каркасов приведены на рис. 8.7.
В случае простых или даже функционально сложных, но построенных на ИМ С повышенной степени интеграции РЭС, необходимый для их размещения объем невелик. Это характерно для электронных измерительных приборов, РЭС для автоматизации производства и средств связи. На первом и втором уровнях для этого введены приборные каркасы, представляющие собой каркасы с наружными оболочками, что обеспечивает построение конструктивно завершенных РЭС для автономного использования — приборов.
Третий уровень занимают шкафы и стойки, столы и пульты. Шкафы предназначены для установки, объединения электрическими и другими связями изделий, выполненных, как правило, на блочных каркасах. Основным отличием стоек от шкафов является отсутствие передней двери. Конструкция стойки приведена на рис. 8.20. Тумбы, столы и секции пультов используют для организации рабочего места оператора. Бескаркасные НК, предназначенные для объединения и защиты изделий, собранных на 172
монтажных вдвижных платах или частичных каркасах, здесь названы кожухами.
Технологичность КС. Производственную технологичность (ГОСТ 14.205—83) оценивают с помощью набора большого числа показателей, из которых важнейшие — трудоемкость, материалоемкость и себестоимость. Высокая технологичность КС связана, главным образом, с резким сокращением числа типоразмеров и принципом сборки из унифицированных типовых деталей. Так, при переводе аппаратуры приема и обработки информации с оригинальных НК на КС количество типоразмеров шкафов или блоков уменьшилось в 30...50 раз, а коэффициент повторяемости деталей возрос до 75%.
Значительное снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости связано с широким применением точных профилей, штампованных деталей, унифицированных способов и узлов крепления. Использование точных профилей при изготовлении КС значительно упрощает технологические процессы, сводя их, в основном, к обрезке профилей и сверлению отверстий. В большинстве случаев достаточна точность обработки не выше 12 квалитета и допуски на межосевые размеры около +0,2 мм. Это приводит к снижению трудозатрат в 3...5 раз и повышению коэффициента использования металла до 95%. Перспективны сложные профили с пазами для установки панелей и плат из алюминиевых сплавов, поверхности которых не требуют дополнительной обработки и допускают непосредственное нанесение декоративных покрытий.
Для соединений в КС может быть использована сварка и сборка с помощью винтов или болтов.
Для общей характеристики конструкционных систем РЭС приведем некоторые данные отраслевой КС «База-3», обеспечивающей построение конструкций шестнадцати типоразмеров в двух модификациях: сборочных узлов — 37; деталей — 52; профилей— 3; типоразмеров стандартного крепежа (болтов, винтов) — 522, гаек — 120; количество видов покрытий гальванических — 7, лакокрасочных — 2. Значительное отличие в количестве винтов и гаек связано с широким применением самонарезающихся винтов, ускоряющих монтаж. Для изготовления КС разработаны типовые технологические процессы, приведенные, например, в ОСТ 4.054.062—83.
Преимущества реализации РЭС на конструкционных системах. Конструктивная завершенность РЭМ позволяет разбивать РЭС на относительно автономные при конструировании и изготовлении части, а сборку РЭС в единое целое в наиболее распространенном разъемном варианте осуществляют стыковкой частей легкосъемных электрических соединителей.
Сформулируем основные преимущества модульного исполнения РЭС для этапов конструирования, производства и эксплуатации.
173
На этапе конструирования построение РЭС на основе КС значительно сокращает объем оригинальной конструкторской документации и упрощает внесение изменений за счет широкого использования базовых чертежей, групповых методов проектирования и результатов предыдущих разработок. Кроме того, известны основные конструктивные параметры, например показатели устойчивости к внешним нагрузкам, тепловые и другие характеристики, что обеспечивает принятие объективных решений до построения и испытания опытных образцов. При использовании КС модернизация РЭС и разработка модификации фактически сводятся к разработке новых печатных плат, внутри- и межблочного монтажа и передних панелей. Более того, КС позволяет совершенствовать БНК, изменять отдельные детали и сборочные единицы, улучшать технологию их изготовления, требуя лишь сохранения габаритных размеров и согласования присоединительных узлов.
На этапе производства применение базовых конструкций, стандартных материалов и профилей ограниченной номенклатуры, прогрессивных способов формообразования и сборки обеспечивает высокую технологичность, специализацию, механизацию и автоматизацию производства; снижает требования к квалификации монтажников; уменьшает стоимость и повышает качество РЭС.
На этапе эксплуатации преимущества модульных конструкций связаны с повышением эксплуатационной технологичности вследствие повышения качества изделий, ускорения восстановления работоспособности РЭС за счет быстрой замены отказавших модулей. Сложные РЭС, требующие больших затрат на разработку и изготовление, обычно рассчитаны на длительное время эксплуатации, например у БНК — свыше 10 лет.
Все сложные РЭС в настоящее время строят на основе каких-либо конструкционных систем, так что в дальнейшем БНК рассматриваем только как конструкционные системы, не указывая это дополнительно.
;.г
6.3. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ РАЗМЕРОВ КОНСТРУКЦИОННЫХ СИСТЕМ
Размерные отношения и ряды. Для унификации изделий желательно, чтобы их параметры имели не произвольные, а упорядоченные значения, образующие так называемые параметрические ряды (ряды питающих напряжений, номинальные значения резисторов и другие). Основой построения размерных рядов в технике является система предпочтительных чисел по ГОСТ 8032—84 (СТ СЭВ 3961—83). Каждому ряду предпочтительных чисел соответствует учитывающий особенность восприятия зрительных образов ряд предпочтительных пропорций, члены которо-174
го представляют собой отношения целых чисел, точно или приближенно равные предпочтительным числам.
Параметрические ряды, образованные упорядоченной последовательностью геометрических размеров, называют типоразмерными или размерными. Размерные ряды для КС должны обеспечить:
сопряжение размеров модулей как одного, так и разных уровней разукрупнения;
получение достаточного для построения различных РЭС набора типоразмеров;
возможность построения модулей высших уровней из низших; гармонизацию формы внешней поверхности и панелей РЭС. Легко убедиться, что сформулированному набору требований удовлетворяют не общепринятые геометрические, а приведенные в том же ГОСТ 8032—84 арифметические предпочтительные ряды чисел, полученные на основе общего члена ak = a0 + k\Qm/R, где а0 кратно 10т/Л; /? = 5, 10, 20, 40, 80, 160; т — целые числа. При т = 2, R = 5 получают ряд А20, при Л = 10 — ряд А10 и т. д. .
Типоразмерные ряды на основе арифметических прогрессий ( позволяют строить ряды, в которые могут входить модули с размерами, кратными 2, 3, 4, 5 и т. д. Это удобно и целесообраз- ‘ но в аспекте унификации БНК, так как можно либо заменить относительно сложный модуль набором более простых, либо найти размеры модуля более высокого уровня на основе суммарных размеров вошедших в него модулей предыдущего уровня.
Базовые размеры а0 и шаг А а размерных рядов выбирают на основе компромисса между необходимостью построения достаточного для размещения различных РЭС набора и минимизацией числа типоразмеров. При переходе к более высоким уровням разукрупнения целесообразно использование рядов с кратно увеличенными значениями базового размера и шага.
Геометрические размеры блоков и шкафов в порядке обычного указания записывают как НхВхЦ где Н—высота, В—ширина, , L — глубина, причем Н соответствует вертикальным, а В—• , горизонтальным размерам во фронтовой плоскости, перпендикулярной линии нормального зрения оператора. Для печатных плат указывают HxL, причем независимо от их пространственного расположения под высотой всегда понимают сторону, на которой установлен соединитель. Требуемое многообразие типоразмеров РЭС можно получить, изменяя один, два или три размера. В реальных конструкционных системах наибольшее число градаций имеет ширина В, затем высота Н, глубина L, хотя в отдельных случаях правило может быть изменено. Очевидно, что йри использовании арифметических прогрессий получить ряды предпочтительных пропорций по ГОСТ 8032—84 нельзя, однако желательно, чтобы отношения двух модулей были гармоничными.
175
Стандартизация размеров РЭС. Стандартизация размеров является обязательным условием модульного исполнения РЭС, при этом необходимо учитывать не только обеспечение входимости в рамках одной КС, но и конструктивную совместимость с другими КС и приборами. Решение этих вопросов невозможно без стандартизации основных размеров модулей на отраслевом, государственном и даже международном уровнях.
В нашей стране в качестве основной принята метрическая система мер, но в рекомендациях МЭК, например стандарта МС МЭК 297—1, 1982, для конструкций РЭС принята так называемая «19-дюймовая система».
Основой для построения конструкционных систем, базирующихся на метрической системе мер, служит ГОСТ 20504—81. В качестве основы для размеров изделий нулевого, первого и второго уровней разукрупнения приняты арифметические ряды с шагом, кратным 20 мм, что соответствует рекомендации МЭК 482. Полученные на основе этого ряда условные размеры РЭМ разных уровней разукрупнения приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1. Условные размеры РЭМ, выполненных в метрической системе мер
Изделия пулевого, первого и второго уровней Изделия третьего уровня
Высо га. мм Ширина, мм Глубина, мм Высота, мм Ширина, мм Глубина, мм
80 + к 40 20 +А; 20 240 600 +А-200 600 400
при А: = 0,5 при к = 0,1; 160 + (Аг —8)х х40 при А: = 8,16 360 480 при А: = 0,8 800 1000 600 800
Наружные и внутренние размеры модулей отличаются от условных допусками, обеспечивающими входимость. Наружные (внутренние) размеры обозначают буквами H(h), B(b) или £(/) с цифровыми индексами 0, 1, 2 или 3, указывающими уровень разукрупнения, например, для блоков B2 — B+^b2, Ь2 = В—\Ь2. Допуски регламентированы стандартом, а Д62 = 0 или 40 мм. Кроме наружных размеров, важных для обеспечения входимости в РЭМЗ, у РЭМ2 указывают максимальные размеры с выступающей за корпус арматурой для крепления к БНКЗ. Глубина корпусов изделий второго уровня L2 = L — ЛЬ2, где Д£2=600 мм соответствует зоне, отводимой для установки соединителей и межблочного монтажа.
Внешние размеры шкафов соответствуют условным (см. табл. 6.1), а внутренние определяют соотношения h3 = Н+40п, b3 = B+&b3, где Д/>3 = 8мм; н = 0, 1, 2, ...
В качестве исходного в стандарте установлен размер В изделия второго уровня, совпадающий с максимальным номинальным
176
размером 480 мм. Этот размер соответствует полным блочным или приборным каркасам, а другие значения В из табл. 6.1 — частным. Наружный размер блочного каркаса с учетом арматуры для крепления В2 = 520 мм.
Особо следует отметить, что несмотря на обязательность основных размеров модулей первого, второго и третьего уровней для всех РЭС геометрические размеры изделий нулевого уровня (печатных плат) ГОСТ 20504—81 регламентирует только при их установке в РЭМ высших уровней в вертикальном положении и перпендикулярно лицевой стороне РЭС. Кроме того, размеры, отличающиеся от указанных в стандарте, могут иметь конструкции третьего уровня для РЭС в пыле-, водо- и виброустойчивом исполнениях.
Главными стандартами, организующими размерные соотношения КС, выполненных в международной «19-дюймовой» системе мер, являются: ГОСТ 26.204—83 (СТ СЭВ 3266—81) и ГОСТ 26.202—81 (СТ СЭВ 834—77). Здесь в качестве исходного принят размер, совпадающий с шириной передней панели 19 дюймов, равный 482,6 мм. Все основные размеры НК получены на основе арифметических прогрессий с шагом вертикального приращения U=44, 45 мм, шагом по горизонтали между шаговыми линиями печатных плат, кассет и блоков, кратным размеру 7=2x2,54 = 5,08 мм (табл. 6.2).
Таблица 6.2. Основные размеры РЭМ, выполненных в дюймовой системе мер
Типоразмер Высота платы, мм Высота ячейки, мм Длина платы, мм Ширина ячеек и блоков, мм
kU, к = 2Л2 55,55 + (k — 2)U 84,25 + (к -2) U 100 + 60», »= 1,4 В<т- 5,08, т = 2,95
Для предпочтительных размеров 3U и 6U высоты плат равны 100,00 и 233,35 мм соответственно, а максимального 12С7— 500,05 мм. Высоту шкафов определяют члены арифметической прогрессии от 13 U до 4517, соответствующие наружным размерам шкафа по высоте 800, 1000...2200 мм (шаг 200 мм). Наружные размеры шкафа по ширине определяют ряд от 600 до 1000 мм, а по глубине — от 300 до 900 мм с шагом 100 мм. Ширина проема шкафов />з=450 мм и соответствует блоку с исходной шириной передней панели 482,6 мм.
Из сравнения метрической и «19-дюймовой» систем видно, что основные геометрические показатели изделий одних уровней разукрупнения в них близки, так как найдены на основе одних и тех же требований и ограничений, а некоторые, например высота шкафов, совпадают. На первый взгляд различия, связанные с принятой системой мер, важны только для внутренней ор-
177
типизации конструкционных систем, однако это не так. Действительно, возможность выпуска РЭС в двух системах мер вызывает неудобства в силу несовместимости даже сходных по возможностям и размерам модулей из разных систем.
6.4. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЭС
Унификация конструкционных систем. Известно, что затраты на изготовление изделий зависят от объема их выпуска нелинейно: С(У)«С0№, где C(N) — затраты на изготовление N изделий; Со, а — коэффициенты, причем для радиопромышленности а»0,3.
Увеличение объема выпуска изделий может быть достигнуто за счет:
внутривидовой унификации—сокращения типономиналов изделий в рамках КС, предназначенной для разработки РЭС одного вида, например стационарной или морской (см. § 12.1);
межвидовой унификации — сокращения типономиналов изделий за счет применения одной и той же КС для изготовления РЭС различных видов.
В настоящее время для построения РЭС, ЭВМ и электронных устройств различного назначения используют свыше двадцати КС, отличающихся конструкторской реализацией, но построенных на основе рассмотренных выше общих принципов построения и стандартов. Такое большое разнообразие КС вызвано не столько объективными, сколько субъективными причинами, обусловленными узковедомственными интересами отраслей, поэтому достаточно рассмотреть основные характеристики нескольких представляющих наибольший интерес для конструирования РЭС систем;
унифицированных типовых конструкций и входящих в единую систему средств приборостроения (ЕССП), задающих основные принципы построения других конструкционных систем;
унифицированных базовых несущих конструкций (УБНК), имеющих достаточно высокий уровень межвидовой унификации;
конструкционную систему для электронных измерительных приборов.
Системы УТК и ЕССП. Эти системы занимают особое место, так как во многом организуют построение других КС, в частности, для всех КС с метрической системой мер обязательны регламентирующие УТК-20 положения ГОСТ 20504—81: терминология, основные размеры модулей, структура КС и состав изделий разных уровней разукрупнения. Более того, система УТК-20, состав которой приведен на рис. 6.2, представляет собой одну из первых наиболее удачных и полно разработанных КС и получила широкое распространение при конструировании средств автоматизации и приборостроения для различных областей науки и техники. Для расширения возможностей разработана модификация УТК-19, выполненная в международной «19-дюймовой» системе мер. Опыт применения КС УТК подтвердил правильность и эффективность основных конструкторских решений, так что многие из них могут быть учтены при разработке новых КС.
Структурная схема КС ЕССП (ГОСТ 26.204—83), приведенная на рис. 6.4, имеет необычный вид, так как отражает специфику международного стандарта МС 178
Рис. 6.4. Схема построения конструкционной системы ЕССП
МЭК 297 — 1, 1982. Размещение на первом месте передней панели характеризует не ее входимость, а лишь выбор в качестве первообразующего размера ширины передней панели, равной 19 дюймам (482,6 мм), однако это не мешает выделить обычные для РЭС в модульном исполнении четыре уровня разукрупнения.
В ЕССП входит ряд конструкционных систем, из которых при конструировании РЭС чаще других могут быть использованы система КАМАК, получившая широкое распространение в научном приборостроении, и система унифицированных конструкций УК СМ ЭВМ, разработанная для серии малых ЭВМ. Для этих систем характерен очень высокий уровень показателей унификации изделий и технологичности.
Система УБНК. При конструировании сложных РЭС различного назначения широкое распространение получила отраслевая КС унифицированных базовых конструкций, структура построения которой приведена на рис. 6.5. В систему входят РЭМ четырех уровней разукрупнения. Но, строго говоря, отнесенные ко второму уровню УБНК-П фактически соответствуют частичным каркасам УТК.
Некоторые размеры РЭМ в системе УБНК не соответствуют ГОСТ 20504—81, так как УБНК применяют для построения не только стационарных, но и возимых, наземных, морских и самолетных РЭС, на которые действие стандарта не распространяется. Кроме того, унифицированные ячейки УБНК-I устанавливают в УБНК-П и БНКЗ, хотя и вертикально, но в большинстве случаев не перпендикулярно, как предусматривает ГОСТ 20504—81, а параллельно лицевой панели унифицированных блоков. Такой способ установки ячеек удобен в транспортируемых РЭС при ограниченных размерах аппаратных отсеков, а на стационарные РЭС распространен с целью межвидовой унификации конструкций на первом и втором уровнях разукрупнения. Действительно, УБНК-I и УБНК-П, которые могут быть использованы в РЭС для различных объектов установки, представляют собой модификации, полученные за счет установки на универсальные шасси разных передних и задних панелей, узлов присоединения и фиксации (см. гл. 8).
В то же время условные размеры унифицированных УБНК-I различных типоразмеров и модификаций соответствуют ГОСТ 20504—81, а некоторые отличия наружных и внутренних размеров обусловлены разницей в принятых значениях допусков на входимость. Базовые каркасы, по размерам соответствующие блочным каркасам УТК, позволяют размещать УБНК-I в БНКЗ рядами с шагом по высоте 200 мм.
Специфику объектов установки учитывают главным образом конструкции третьего уровня разукрупнения БНКЗ, хотя для некоторых видов РЭС, например для автомобильных, разработаны также и универсальные шасси специальной конструкции. Напомним, что ГОСТ 20504—81 не распространен на размеры конструкций третьего уровня разукрупнения в пыле-, водо- и виброзащищенном исполнениях, применяемых в транспортируемых РЭС, но наружные и внутренние размеры БНКЗ стационарных РЭС полностью соответствуют его требованиям, что обеспечивает их совместимость с другими КС.
По построению и размерам к УБНК РЭС близка распространенная отраслевая система «База-3» (ОСТ 4.410.017—82 и др.).
Конструкционная система электронных измерительных приборов. Типичным примером КС для построения электронных измерительных приборов или соответствующих им по сложности РЭС служит отраслевая система «Надел», схема 180
Рис. 6.6. Конструкционная система электронных приборов:
/--малогабаритный агрегатируемый корпус; 2— настольно-стоечный корпус; 3—вставной блок; 4 — малогабаритный осциллографический корпус; 5—малогабаритный неагрегатируемый корпус; 6 — настольнопереносной корпус; 7—агрегатирование настольно-переносных корпусов по вертикали; 8 -варианты конструкций настольных осциллографических блоков; 9 — агрегатирование по ширине; /0—стоечное исполнение базового корпуса; 11— установка вставных блоков и осциллографа; 12—стоечный вариант конструкции с рамой; 13—установка стоечных блоков в шкаф
построения которой приведена на рис. 6.6. Основу системы составляют базовые корпуса, при установке на которые дополнительной арматуры и деталей получают либо встраиваемые в БНКЗ либо настольные (приборные) корпуса.
В конструкционной системе «Надел-75А» типоразмеры корпусов каждого из типов образуют ряды в метрической системе мер, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 20504—81 к условным номинальным размерам модулей первого и второго уровней разукрупнения при некоторых отличиях в допусках на совместимость и входимость. Все корпуса, кроме малогабаритного неагрегатируемого 5, допускают объединение по горизонтали или вертикали. В качестве условной ширины полного настольно-стоечного корпуса 2 принят размер 480 мм, для высоты и ширины — значения из уже рассмотренных стандартных арифметических рядов для Н и В. Малогабаритные агрегатируемые корпуса 1 имеют три размера по ширине, допускающие агрегатирование по горизонтали до полного настольностоечного. Для размещения относительно несложных РЭС предусмотрены корпуса вставных блоков 3, устанавливаемых в модификацию настольно-стоечных корпусов, или малогабаритные корпуса 4. Аналогично малогабаритные осциллографические корпуса допускают не только размещение автономных РЭС, но и установку в полные настольно-стоечные РЭС.
Для обеспечения соответствия отечественных электронных измерительных приборов международным стандартам, требованиям поставки на экспорт, создания единого парка измерений в рамках стран-членов СЭВ, разработана конструкционная система «Надел-85», выполненная в соответствии с публикацией МЭК 297 (ГОСТ 26.202—81, ГОСТ 26.204—83 и другие стандарты ЕССП), с улучшенными технико-экономическими характеристиками. ?'
182
Рассмотренные КС содержат все характерные элементы других систем, а система УБНК принята в качестве основы для рассмотрения особенностей конструирования РЭС при дальнейшем изложении материала.
6.5. ВЫБОР МОДУЛЕЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ СИСТЕМ
При компоновке модулей всех уровней необходимо придерживаться принципа функциональной и конструктивной законченности.
Представим такой случай, когда ячейка предназначается для установки в блок, в свою очередь блок устанавливается в шкаф, причем число ячеек в блоке может достигать нескольких десятков. В блоке стараются сформировать функционально законченные схемы, но при конструктивной реализации блока не всегда могут быть заняты все установочные места под ячейки. Поэтому объемы блоков часто недоиспользуются (для стационарной аппаратуры—порой на 25% от полного объема). Чтобы устранить этот недостаток, разрабатывают частичные каркасы, составляющие как бы часть целого и входящие составной частью в комплектный блок. Подобные частичные блоки разрабатывают на разное число ячеек, причем с точки зрения потребителя КС чем шире номенклатура частичных блоков, тем лучше, но с точки зрения конструктора и производственника — тем хуже, поскольку удлиняются сроки разработок и освоения производства, возрастают затраты.
Нужно помнить, что, используя КС, потребитель будет в чем-то терять. Эти потери называют потерями на адаптацию — приспособление модулей КС к нуждам потребителя. Но с государственных позиций внедрение КС почти всегда даст экономический выигрыш. Потери на адаптацию КС для решения конкретной задачи почти всегда характеризуются увеличением габаритов, массы, эксплуатационных затрат. Например, для установки четырех ячеек можно использовать один пятиплатный или четыре одноплатных блока. В том и другом случае имеют место потери. В первом случае потери определяются лишним установочным местом, во втором—увеличением объема, массы, стоимости аппаратурной реализации за счет введения четырех несущих конструкций блока вместо одной.
Выбор наилучшего варианта набора различных модификаций КС параметрического ряда осуществляют решением задачи оптимизации, за критерий которой принимают затраты на разработку и производство КС при удовлетворении спроса на продукцию с учетом потерь на адаптацию.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие факторы требуют разукрупнения РЭС?
2. Укажите основные ограничения при разукрупнении РЭС по конструктивным признакам.
3. Почему в ГОСТ 26632—85 отсутствует уровень ИЭТ?
4. Приведите примеры РЭС с минимальным и максимальным числом уровней разукрупнения.
5. Что понимают под базовыми несущими конструкциями и конструкционными системами?
6. Приведите структуру конструкционных систем.
7. Преимущества РЭС на основе конструкционных систем на этапах разработки, изготовления и эксплуатации.
183
8. Особенности размерных рядов для несущих конструкций РЭС?
9. Что определяет типоразмеры базовых несущих конструкций? (,<«• е> •»
10. Укажите особенности распространенных конструкционных систем. s
11. Критерии выбора конструкционных систем.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЯЧЕЕК И МИКРОСБОРОК
7.1. ПЕЧАТНЫЙ МОНТАЖ
Основные понятия. В РЭМ выводы ИЭТ должны быть надежно соединены в соответствии с электрической принципиальной схемой. Это может быть выполнено как с помощью объемных проводников, так и печатного монтажа.
При печатном монтаже электрическое соединение ИЭТ выполнено с помощью печатных проводников — отдельных проводящих полосок в проводящем рисунке (ГОСТ 20406—75). Проводящий рисунок образует проводниковый материал, полученный избирательным травлением металлической фольги, осаждением металла или нанесением и последующей обработкой специальных паст.
Конфигурацию проводящего рисунка определяют электрическая принципиальная схема и конструкторско-технологические ограничения. При непланарном графе соединений для устранения пересечений проводящих дорожек используют несколько проводящих слоев, разделенных слоями диэлектрика. Электрический контакт между слоями осуществляют с помощью межслойных соединений — участков проводникового материала, проходящих через отверстия в диэлектрике. Такой рисунок называют многослойным, причем под слоем понимают элементы печатного рисунка, изготавливаемые за одну технологическую операцию.
Элемент конструкции, на поверхности или в объеме которого выполнен проводящий рисунок, называют основанием. Плата представляет собой материал основания, вырезанный по заданному размеру, содержащий необходимые отверстия и, по меньшей мере, один проводящий рисунок.
Печатный узел — плата с присоединенными к ней ИЭТ и механическими элементами, выполненной пайкой и нанесенными покрытиями.
Основные причины, обусловившие широкое применение печатного монтажа:
возможность электрического и механического соединения ИЭТ; широкое распространение эффективных САПР;
отработанность технологических процессов и операций;
184
. высокая производительность и низкая стоимость при серийном И массовом производстве;
f возможность автоматизации установки и монтажа ИЭТ.
, К недостаткам печатного монтажа следует отнести:
ограниченные коммутационные возможности отдельных слоев;
ухудшение показателей надежности плат по мере увеличения числа проводящих слоев и соединений между ними;
практически неремонтопригодность многослойных структур;
отличие параметров, особенно паразитных, образца с объемным монтажом от параметров изделия с печатным монтажом;
трудоемкость разработки и коррекции без применения САПР.
Виды плат. В зависимости от назначения изделия с печатным монтажом разделяют на платы для ячеек и РЭМО, объединительные платы для межмодульного монтажа, гибкие печатные кабели, платы микросборок. Наряду с обычными (жесткими) разработаны платы с гибким основанием, которые из-за трудности установки ИЭТ и возможности сгибания целесообразно применять в качестве объединительных. В свою очередь, выпускаемый серийно гибкий печатный кабель (ГПК) представляет собой ленту из тонкого гибкого диэлектрика с печатным рисунком в виде параллельно идущих проводящих полосок.
Для изготовления пленочных резисторов и конденсаторов на платы микросборок (подложки) наносят наряду с проводниковыми слои резистивных и диэлектрических материалов.
В качестве других классифицирующих признаков обычно используют материал основания, число проводящих слоев и технологию изготовления проводящего рисунка.
Материалы разделяют на группы: слоистые диэлектрики; керамика; металлические листы, покрытые тонким слоем диэлектрика. Платы с основанием из слоистых диэлектриков называют собственно печатными платами (ПП), из керамики — керамическими платами (КП), из металла — интегральными платами (ИП).
В настоящее время при невысоких требованиях к плотности упаковки и условиям эксплуатации чаще всего используют ПП из слоистых диэлектриков, для которых характерна низкая стоимость; широкая номенклатура фольгированных и нефольгирован-ных материалов, выпускаемых промышленностью в виде заготовок больших размеров; легкость механической обработки штамповкой, сверлением и резанием. Основной недостаток слоистых диэлектриков — низкая теплопроводность, а в ряде случаев — недостаточная устойчивость к внешним воздействиям.
Керамика имеет теплопроводность, примерно в двадцать раз большую, чем стеклотекстолит, до отжига легко обрабатывается. Возможность коробления керамических оснований при обжиге ограничивает их максимальные размеры относительно небольшими значениями (до 120 мм). Перспективно использование металлических оснований, покрытых тонким слоем изолятора.
185
При использовании оснований из сплавов алюминия это может быть оксидный слой, а из низкоуглеродистой стали — слой стеклоэмали или тонкая полиимидная пленка. Металлические основания имеют достаточную жесткость, так что геометрические размеры плат в этом случае ограничивает не устойчивость к механическим воздействиям, а возможность нанесения большого по размерам печатного рисунка с требуемой точностью. Окись алюминия, эмали имеют хорошую теплопроводность, но большую диэлектрическую проницаемость (е« 10). Теплопроводность поли-имидной пленки примерно в полтора раза хуже, чем у стеклотекстолита, однако при толщине пленки около 30 мкм результирующее тепловое сопротивление такого основания все же значительно меньше, чем у стеклотекстолита и даже керамики, а малая диэлектрическая проницаемость полимида (е«3) уменьшает паразитные емкости.
В зависимости от числа слоев различают одно-, двух-и многослойные платы. В однослойных ПП со слоистым диэлектриком проводящий рисунок расположен с одной стороны основания, а в двухслойных — с двух, поэтому их называют односторонними (ОПП) и двусторонними (ДПП) печатными платами. При использовании слоистых диэлектриков и керамики (до обжига) в основаниях легко выполнить отверстия, так что многослойные печатные платы (МПП) и керамические многослойные платы (КМП) представляют собой наборы механически объединенных в единое изделие ОПП или односторонних КП, проводящие слои которых связаны с помощью металлизированных переходных отверстий. По этой же причине в многослойных платах с металлическими, а во многих случаях и керамическими основаниями проводящие и изоляционные слои наращивают с одной стороны последовательно друг на друга (послойное наращивание).
Выделяют платы с так называемой технологией монтажа на поверхности (ТМП), в которых выводы ИЭТ присоединяют к контактным площадкам на их поверхности внахлест. Возможность установки ИЭТ с двух сторон основания, технологичность монтажа, отсутствие отверстий обуславливают перспективность плат с ТМП. Используют платы со смешанным монтажом: установка ИЭТ с одной стороны в отверстия, а с другой — ТМП.
При классификации по технологическим признакам платы разделяют как по способам получения избирательного рисунка, так и материала проводникового слоя. Избирательный рисунок может быть нанесен с помощью фотолитографии либо сеткогра-фии — печати через трафарет, изготовленный на основе тонкой сетки. Уступая по основным показателям сеткографии, фотолитография лучше по точности воспроизведения размеров и в случае больших рисунков.
Проводниковый слой может быть получен субтрактивным, аддитивным или полуаддитивным способами. Субтрактивная
186
Рис. 7.1. Элементы печатного рисунка:
а—печатные проводники, переходные и монтажные отверстия; б—переходное отверстие многослойной печатной платы; в—контактная площадка для пайки внахлест; 1 — основание; 2—проводниковый материал; 3—слой металлизации; 4 — припой; 5 — вывод ИЭТ или объемный проводник; б--контактная площадка; 7 — печатный проводник
технология (избирательное удаление материала) менее предпочтительна, чем аддитивная (избирательное нанесение) из-за большого расхода меди, травителя и загрязнения среды. Несмотря на это, избирательное травление медной фольги получило широкое распространение, особенно при изготовлении единичных и мелкосерийных РЭС, что объяснимо широкой номенклатурой выпускаемых промышленностью фольгированных диэлектриков, сглаженностью и относительной простотой реализации технологических процессов. При аддитивном процессе используют избирательное осаждение меди, тонко- или толстопленочную технологию. Полу-аддитивный процесс предполагает покрытие всей поверхности диэлектрика тонким слоем меди, нанесение защитного рисунка и последующее гальваническое утолщение медных проводников. Аддитивная и полуаддитивная технология позволяют металлизировать отверстия.
Элементы проводящего рисунка. Проводящий рисунок (рис. 7.1) образуют: печатные проводники, контактные площадки, межслойные соединения, переходные и монтажные отверстия.
Минимальные размеры элементов проводящего рисунка могут быть ограничены конструкторско-технологическими или электрическими факторами. Технологический разброс воспроизведения линейных размеров, минимальная ширина печатных проводников b и расстояния между краями соседних элементов s (см. рис. 7.1)
187
для различных видов плат и способов их изготовления приведены в соответствующих стандартах, например для ПП — в ГОСТ 23751 — 86.
В случае больших токов через печатный проводник его поперечное сечение ограничивает условие
bh„^ 111лоп, (7.1)
где b, hn — ширина и толщина проводника, мм; I—ток через проводник, А; /ДО1|— допустимая токовая нагрузка, А/мм2.
Значение /доп, задаваемое допустимым перегревом печатного проводника, зависит от технологии изготовления печатного рисунка и изменяется в пределах 50...250 А/мм2.
Если через 6нагр обозначить минимальную ширину проводника, ограниченную нагрузочной способностью и найденную из (7.1), а /’техн — технологию изготовления, то ширина проводника Ь ПИХ ^техн , /’нагр^]-
Наименьшее номинальное расстояние I для прокладки п печатных проводников шириной b (рис. 7.1) рассчитывают по формуле
l=(Pi + D2 )/2+b„+s(n +1) Tt, (7.2)
где 5 — расстояние между краями соседних элементов, мм; Dr, D2—диаметры контактных площадок, мм; Tt — регламентированное стандартами значение позиционного допуска расположения печатного проводника относительно соседнего элемента, мм.
Минимальные размеры элементов многослойного рисунка, кроме воспроизводимости линейных размеров элементов в слоях, ограничивают возможные смещения слоев относительно друг друга. В этом случае должно быть обеспечено гарантированное перекрытие слоев на участках, испытывающих влияние смещений.
Конструкция контактных площадок определяет качество электрического соединения и механическую прочность сцепления выводов ИЭТ с основанием платы. Контактные площадки выполняют квадратной, круглой или близкой к ним формы. Для установки ИЭТ со штыревыми выводами в контактных площадках предусмотрены монтажные отверстия (см. рис. 7.1,а). Диаметр монтажного отверстия б?м0 выбирают больше диаметра выводов d0 для получения зазора А = 0,1...0,6 мм, обеспечивающего капиллярное проникновение припоя во время пайки:
dMo d0 + 2А + 2/гм + 50, (7.3)
где 50 — погрешность диаметра отверстия, мм; /гм— средняя толщина слоя металлизации, мм.
Минимальный диаметр круглой или меньший размер прямоугольной контактной площадки выбирают из условия получения гарантированного пояса металла bmia вокруг отверстия (см. рис. 7.1), обеспечивающего качественное соединение при заданных
188
предельных отклонениях размеров и позиционных допусках для площадки и отверстия.
Минимальные размеры контактных площадок при монтаже ИЭТ на поверхность (см. рис. 7.1,в) определяют из условия гарантированного качества присоединения при учете возможных смещений. Переходные отверстия должны иметь малое сопротивление, а для получения высокой плотности печатного рисунка—и малые размеры. Однако при малом диаметре отверстий и большой толщине плат трудно обеспечить хорошее качество металлизации, поэтому минимальный диаметр переходного отверстия выбирают из условия
cT^-yh, (7.4)
где h — толщина платы, мм; у — отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине платы, оговоренное в стандартах на конструирование плат. Обычно у = 0,2...0,4. При многослойном монтаже переходные отверстия могут соединять как внешние, так и промежуточные слои.
Пространственное расположение печатных проводников, контактных площадок и отверстий привязывают к координатной сетке, наносимой на чертежи плат. В подавляющем большинстве случаев используют сетки с прямоугольной системой координат, шаг которых зависит от вида плат и шага выводов устанавливаемых ИЭТ. Центры контактных площадок и отверстий следует располагать в узлах координатной сетки. Если шаг выводов не совпадает с шагом координатной сетки, то необходимо соблюдать следующее правило: центр контактной площадки или отверстия, в которое впаивают первый вывод, должен совпадать с узлом сетки, а других—находиться на одной из горизонтальных или вертикальных координатных линий.
Платы с печатно-проводным монтажом. В печатно-проводных монтажных платах электрические соединения разделены на постоянные, выполняемые с помощью печатного монтажа, и переменные, выполняемые с помощью объемных проводников. К постоянным отнесены контактные площадки для присоединения ИЭТ и объемных проводников, фрагменты типичных соединений, а к переменным — сигнальные линии связи.
В настоящее время разработаны методы автоматизированного изготовления монтажных плат с печатно-проводными соединениями, имеющими не только отличные коммутационные характеристики, но и в ряде случаев лучшие, чем у чисто печатного монтажа, экономические показатели. Наиболее известные методы: разводка с вжиганием изоляции провода на поверхность печатной платы, покрытой незатвердевшей клейкой пластмассой; разводка проводов через отверстия в плате и образование монтажных петель с другой ее стороны (стежковый монтаж).
189
С помощью стежкового монтажа можно соединять ИЭТ, устанавливаемые по технологии монтажа на поверхности. На платах ИЭТ и контактные площадки размещены с одной стороны основания, а с другой — по кратчайшим путям проложены объемные провода. Через точки проколов (отверстия) петли, образованные на проводниках, выводят на сторону с ИЭТ и присоединяют к печатным контактам пайкой внахлест. Платы с двухсторонним стежковым монтажом представляют собой пакет, спрессованный из двух односторонних плат с адгезионным слоем между ними. Каждое из оснований может быть одно- или многослойным — из двух-трех фольгированных слоев, спрессованных со стороны диэлектрика со стеклотканью.
Для укладки проводных связей используют провода ПЭВТЛ или ПЭВТЛК диаметром 0,10...0,14 мм, не требующие механической зачистки изоляции. При импульсной пайке провода к контактной площадке изоляция оплавляется, стекает к месту пайки и используется в качестве флюса. В местах, не подвергшихся импульсному нагреву, изоляция обладает хорошими электрофизическими свойствами, достаточно устойчива к изгибам и обеспечивает не только отсутствие контакта при соприкосновении проводников, но и малые утечки и диэлектрические потери. После разводки плату покрывают лаком. Для стежкового монтажа разработаны высокопроизводительные роботы-манипуляторы с цифровым управлением.
7.2. ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАТ
Критерии оптимальности. Цель топологического конструирования— разработка печатного рисунка на плате минимальных размеров, обеспечивающих размещение РЭФУ с заданной электрической принципиальной схемой, набором ИЭТ и вспомогательных конструктивных элементов при наличии ограничений, обусловленных следующими основными факторами: условиями эксплуатации, требованиями стандартизации и унификации, электромагнитной совместимостью и тепловыми режимами, обеспечением высокой надежности и технологичности, допустимыми затратами на разработку и изготовление.
Топологическое конструирование плат принято разбивать на два этапа: размещение ИЭТ и трассировку соединительных линий, причем разделение единой задачи предпринято для упрощения ее решения.
В качестве критериев оптимальности размещения используют: минимум суммарной длины всех печатных проводников; минимум максимальной длины сигнальных проводников; максимально близкое пространственное расположение модулей с наибольшим числом взаимных связей. Все критерии направлены на достижение 190
плотного размещения, но чаще других используют минимизацию суммарной длины.
Некоторые критерии оптимальности трассировки по форме совпадают с критериями размещения, но смысловое содержание их иное. Это критерии, направленные на уменьшение временных задержек: минимум длины параллельно идущих участков соседних проводников; минимум длины проводников (суммарной, сигнальных, самого длинного); равномерность распределения проводников по проводящим слоям. В основу критериев другой группы положено обеспечение надежности РЭФУ и технологичности проводящего рисунка, например минимум числа проводящих слоев и переходов между ними.
Правила размещения. При топологическом конструировании ИЭТ обычно заменяют их установочными моделями. Посадочное место ИЭТ представляет собой проекцию установочной модели на плату.
Приближенную оценку возможности размещения ИЭТ с площадями посадочных мест S, на плате площадью Sj можно осуществить с помощью так называемой аналитической компоновки. Площадь платы
Nj
Е (7.5)
где KSj — 0,5...0,9—коэффициент заполнения площади j-й платы, учитывающий пространство для прокладки трасс, контактных
площадок и другое; Nj—количество ИЭТ на j-й плате.
В большинстве случаев платы имеют прямоугольную форму, причем произведение размеров сторон должно соответствовать найденной из (7.5) площади, а их отношение обычно менее 3:1. Линейные размеры плат должны быть округлены до стандартных или допустимых в данной разработке унифицированных значений.
Размещать ИЭТ можно не по всей поверхности платы, а только в зоне размещения (рис. 7.2). Ширину краевых зон У15 У2 определяют либо микротрещины и дефекты, возникающие при механической обработке торцов плат, либо особенности ее установки в несущие конструкции; Xt—зона крепления передней панели; зону Х2 в модулях
Рис. 7.2. Размещение ИЭТ на плате:
/—зона размещения; 2—краевые поля;
3 — ИЭТ . ,
191
разъемной конструкции занимает соединитель, а неразъемной — зона распайки внешних соединений.
При топологическом конструировании зону размещения рассматривают как часть непрерывной или дискретной монтажной плоскости. В случае непрерывных плоскостей ИЭТ могут иметь произвольные координаты привязки, а дискретные — разделены на позиции для установки ИЭТ.
Располагать ИМС на плате рекомендуют рядами и столбцами [7.1]. Количество столбцов
Ло~^1 — X — Ьо
нх = Е
+ 1,
(7-6)
где Е|...| — символ целочисленного округления; Ьо — ширина посадочного места ИМС; ЬХо— шаг установки микросхем по оси X. Количество рядов
иу = Е
н-2п-/0
+ 1,
(7.7)
где /0—длина посадочного места микросхемы; /Уо — шаг установки микросхем по оси Y.
Шаг установки ИМС определяет большое число факторов: сложность принципиальной схемы, среднее число задействованных выводов, требования к плотности упаковки, температурный режим, метод проектирования (неавтоматизированный или автоматизированный) и др. Очевидно, что при увеличении среднего числа задействованных выводов, учитывающего сложность трассировки, шаг установки растет.
Пространственная ориентация ИМС должна учитывать направления охлаждающих потоков воздуха при естественном охлаждении. Поскольку платы чаще устанавливают вертикально, то при естественном охлаждении большие стороны корпусов с выводами располагают параллельно стороне платы, на которой установлен соединитель.
В модулях цифровых РЭС разъемной конструкции в первом от соединителя столбце целесообразно размещать ИЭТ, максимально связанные с ним, в следующем — с соединителем и с уже размещенными элементами, и так до полного завершения размещения. В РЭС с неразветвленной структурой принимают линейную схему размещения, при которой каскады располагают последовательно друг за другом от входа устройства к выходу, что, увеличивая разнос потенциальных источников и приемников наводок, улучшает ЭМС.
Правила разводки печатных проводников. В подавляющем большинстве случаев каждую из коммутационных плоскостей, число которых соответствует числу проводящих слоев, рассматривают как декартову с шагом координатной сетки, определяемым 192
видом платы и устанавливаемыми ИЭТ. Проводники разводят последовательно один за другим до прокладки последней трассы или установления факта невозможности прокладки следующей при заданном числе проводящих слоев.
Прямая разводка, допускающая проведение трасс по кратчайшему пути, ведет к быстрому усложнению проводящего рисунка, неоправданному увеличению числа проводящих слоев и оправдана в простых модулях с разногабаритными ИЭТ либо модулях сверхвысокого быстродействия, где принципиально важна минимальная длина соединений.
Координатный способ допускает расположение проводников только параллельно одной из координатных осей, т. е. линию произвольного направления заменяют ломаной из ортогональных отрезков в разных слоях, соединенных переходными или монтажными отверстиями. Ортогональное расположение проводников в соседних слоях уменьшает паразитные связи, упорядочивает трассировку и облегчает автоматизацию ее выполнения, но увеличивает длину трасс (до ^/2 раза).
Электрофизические и эксплуатационные характеристики металлизированных переходных отверстий хуже, чем у печатных проводников. Количество переходных отверстий может быть значительно уменьшено, если допустить проведение трасс под углом 45° к линиям координатной сетки. Это позволяет осуществить сдвиги и последовательные повороты направления трасс, необходимые при обходе контактных площадок и других препятствий, не прибегая к межслойным переходам (рис. 7.3).
Выбор последовательности разводки проводников во многом определяет трудоемкость и качество трассировки. Применяют вариант разводки, при котором в первую очередь выполняют разводку линий электропитания и нулевого потенциала, а затем переходят к трассировке по вышеизложенному способу. В неслож-
7 Зак. 2019
193
принципиальной схеме, когда выполняют все соединения, связанные с первой ИМС (каскадом), затем со второй и т. д.
При любом способе разводки с увеличением числа уже разведенных проводников трассировка усложняется, причем возможна ситуация, в которой выполнение следующего соединения при заданном числе слоев невозможно либо требует сложного и протяженного пути. В этом случае необходим пересмотр уже принятых решений и итерационное изменение трассировки.
Для удобства разработки проводящего рисунка всю совокупность линий передачи разделяют на две группы: сигнальные, основным назначением которых является передача сигналов с искажениями, меньшими допустимых; потенциальные — электропитания и нулевого потенциала.
Трассировка сигнальных линий передачи. Временные и частотные характеристики линий передачи зависят от конфигурации и взаимного расположения печатных проводников, причем по мере увеличения быстродействия (рабочих частот) влияние конструкции линий становится все более существенным. Из-за конечной скорости распространения сигналов длины проводников Ц, критичные к допустимому времени задержки сигнала т3, в них, не могут превышать допустимых значений /доп;, найденных по допустимым временам задержки:
li^laoni = t3ic. (7.8)
В первом приближении скорость распространения сигнала по линии c = c0(sp.)1/2, где с0 — скорость распространения сигнала в вакууме; 8, ц—относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Поскольку для применяемых материалов оснований с = 0,1...0,2 м/нс при длине проводников порядка десятков миллиметров задержка в них не только сопоставима, но и превышает время переключения современных быстродействующих ИМС.
Для определения погонных значений паразитных параметров (емкостей, взаимоиндуктивностей, индуктивностей) широко используют графики, обобщающие результаты расчета на ЭВМ различно расположенных печатных проводников, например в [7.1].
Линии электропитания и нулевого потенциала. Геометрические размеры проводников электропитания и общего (нулевого) провода ограничивают нагрузочная способность и паразитная обратная связь, возникающая при протекании токов нескольких ИЭТ. Исходя из допустимого перегрева (7.1), ширина проводников
(7.9)
Для примера, при токе 1=5 А, допустимом токе /доп = 50 А/ мм2, толщине слоя /гм = 50 мкм получаем Ь'^2 мм, что значительно больше минимальных размеров при любой технологии изготовления плат.
194
Падение напряжения Un, определяющее гальванические обратные связи или отклонения напряжения питания от номинального,
Нп = р///г“1й-1 • Ю-3^ Пп доп, (7.10)
где 17п.доп—допустимое падение напряжения, В; р — удельное сопротивление, Ом-мм2/м; Ам, b, I—толщина, ширина и длина печатного проводника, мм; I—ток, А.
Обычно принимают, что допустимое падение напряжения питания {7П ДОП не превышает 1...2% номинального значения /7ПИТ. Тогда из (7.10) длина проводника питания при минимальном по нагрузочной способности сечении
(7.11)
Оценим влияние сопротивления переходных отверстий на общее сопротивление потенциальных проводников. Приближенно сопротивление металлизированного отверстия, соединяющего внешние проводящие слои (см. рис. 7.1)
7?п.о~ЗрЛм дб/м оЛ”1 • 10-3, (7.12)
где р — удельное сопротивление слоя металлизации, Ом мм2/м; /гм о, dM O — высота и диаметр металлизированного отверстия, мм; hM — толщина слоя металлизации.
Даже для плат большой толщины (/гмо = 2мм при </мо= 1 мм и Ам = 35 мкм) сопротивление одного металлизированного отверстия, соединяющего внешние слои, 7?по%0,001 Ом, так что их сопротивлением обычно можно пренебречь. Сопротивление соединений с внутренними слоями определяют стыки поверхности металлизированного слоя с торцами внутренних проводящих слоев, площадь которых значительно меньше площади контактов сквозных переходных отверстий, а сопротивление на один-два порядка больше.
Оценим влияние поверхностного эффекта на увеличение сопротивления печатных проводников. Эффективная глубина проникновения поля 5 для меди равна 67 мкм при/= 106 Гц, 21 мкм при /=107Гц и 6 мкм при/=108 Гц. Поскольку толщина печатных проводников не превышает 30...50 мкм, то влияние поверхностного эффекта заметно, лишь начиная с УКВ’ диапазона.
Потенциальные линии обладают реактивными параметрами. Переходные процессы, возникающие в общей линии питания при переключении отдельных ИМС, могут привести к сбоям или ложным срабатываниям. Амплитуда помехи в цепи питания, общей для N микросхем, /7пом = £пит£7;/с-р1, где Z;, tcpi — ток и время переключения z-го элемента при включении или выключении; Гпит—индуктивность линии электропитания.
Существует несколько вариантов прокладки шины питания и общей шины, один из которых приведен на рис. 7.4.
т
195
Рис. 7.4. Секционирование потенциальных проводников:
1—основание; 2—контактные площадки для подключения конденсатора фильтра;
3— общий провод; 4 — провод питания
«•
-й’
Допускается разводка линий электропитания с помощью металлических шин, навесных трехслойных конструкций из широких потенциальной и нулевой линий, разделенных тонкой изоляционной прокладкой.
Для уменьшения помех по шинам питания используют дискретные конденсаторы развязки, устанавливаемые через определенные промежутки.
На минимальное расстояние между потенциальными проводниками может влиять напряжение пробоя и допустимое сопротивление утечки. Схемы на полупроводниковых приборах обычно низковольтны, поэтому обеспечение электрической прочности не вызывает затруднений. Допустимые сопротивления утечки 7?у определяют из условия нормальной работы схем Ry к 1 000 Авх и требования техники безопасности /?у^20мОм, где /?вх— входное сопротивление устройства.
Структура плат. Выбор числа слоев определяет физическая возможность проведения необходимого количества печатных проводников и технологичность изготовления платы. Однослойные платы имеют ограниченные коммутационные возможности, но наиболее высокую технологичность. По мере увеличения числа проводящих слоев первый показатель возрастает, второй — падает, причем абсолютные значения трудоемкости изготовления сильно зависят от конкретных технологических процессов. Введение навесных перемычек снижает технологичность, так что число их на плате не должно превышать 5... 10% от общего числа соединений, поэтому даже в этом случае однослойные платы часто не соответствуют современным требованиям и применимы лишь в несложных РЭФУ. 196
Для установки ИЭТ предпочтительны относительно технологичные двухслойные платы, которые при отсутствии ограничений на размеры, быстродействие, надежность и т. и., позволяют реализовать электрические принципиальные схемы высокой сложности.
Многослойные платы обеспечивают: повышенные коммутационные возможности; уменьшение длины соединительных линий; размещение элементов проводящего рисунка в однородной диэлектрической среде, что ослабляет влияние внешних воздействий; возможность размещения внутри МПП экранирующих слоев. При оценке возможностей многослойного печатного монтажа следует иметь в виду, что многослойные платы имеют высокую стоимость, пониженные технологичность и надежность.
• Ориентировочное число слоев Nejl для выбранной плотности печатного рисунка, которую можно охарактеризовать шагом печатных проводников (см. рис. 7.1 и 7.3),
(1,8...2,2)(6 + 5)Мх/их«у
(7.13)
где b, s— ширина проводников и расстояние между ними; М—среднее число задействованных выводов ИМС; Н—сторона платы, на которой установлен соединитель; пх, nY—число столбцов и рядов ИМС.
Уменьшение влияния слоев друг на друга достигают путем рационального выбора структуры МПП — порядка следования проводящих и изоляционных слоев. На рис. 7.5 приведена рациональная структура МПП, где Е—потенциальные слои; X и У—
сигнальные, разводка в которых осуществлена ортогонально; Т—технологические. Число сигнальных слоев в звеньях не больше двух для минимизации межслойных паразитных связей (из-за ортогональности проводников в соседних слоях). При соединении звеньев потенциальные слои располагают рядом, что уменьшает возможность наводок.
Автоматизация топологического конструирования. При топологическом конструировании печатного монтажа могут быть использованы следующие методы: ручной, полуавтоматизиро-ванный и автоматизированный (ГОСТ 23751—86). Для механизации ручного метода используют темпле-ты — приклеиваемые модели контакт-
Рис. 7.5. Рациональная структура МПП:
1 — фольгированный диэлектрик; 2—прокладочный слой
197
В Вов формализованного за-вания на конструирование
Корректировка завания на конструирование
Рис. 7.6. Структура пакета прикладных программ для автоматизированного топологического конструирования плат
ных групп, посадочных мест ИЭТ, контактных площадок, клейкую ленту калиброванной ширины. В случае плат невысокой сложности ручной метод оказывается достаточно эффективным, однако топологическое конструирование сложных плат нецелесообразно без применения средств автоматизации.
В простейшем случае полуавтоматизированная трассировка предполагает ручную трассировку, кодирование эскизов трассировки и изготовление чертежей или фотошаблонов с помощью графопостроителей. Возможен вариант, предполагающий ручное размещение и кодирование эскиза, автоматизированную трассировку и изготовление документации с помощью специального оборудования, ядром которого является ЭВМ. В настоящее время разработано большое число однотипных по структуре пакетов прикладных программ (рис. 7.6), отличающихся перечнем и объемом решаемых задач, комплектами документации, необходимым техническим обеспечением и другими показателями. Для конструкторских САПР в ОСТ 4Г0.010.009—84 выделены системы «РАПИРА 5,3-82/ДПП» и «РАПИРА 6-80/МПП».
Пакет прикладных программ «РАПИРА 5,3-82/ДПП» предназначен для размещения разногабаритных элементов, трассировки 198
двухсторонних соединений, выпуска конструкторско-технологической документации. Характерной особенностью является отсутствие ограничений на конструкцию плат, ИЭТ, электрических соединителей, что важно при разработке плат для аналоговоцифровых РЭС. Комплект технического обеспечения позволяет получить: фотооригиналы, сборочные чертежи (с доработкой), таблицу цепей, перечень элементов, спецификацию. Для получения документов на плату с сорока ИМС необходимо около трех часов времени. САПР «РАПИРА 6-80/МПП» решает примерно такой же круг задач при проектировании многослойных печатных плат.
В настоящее время осуществляют развитие системы РАПИРА в рамках САПР ПРАМ, в которую, в частности, включены пакеты прикладных программ для проектирования печатных плат. Это ' ПРАМ-2,4, ПРАМ-4,11, ПРАМ-5,3/ДПП, ПРАМ-6,1, имеющие расширенные возможности и ориентацию на применение АРМ, что облегчает взаимодействие конструктора с САПР в диалоговом режиме работы.
Для конструкторского проектирования плат микросборок (МСБ) разработаны «РАПИРА 5,3-82/МСБ», ПРАМ-5,3/ МСБТЛ (для толстопленочных) и ПРАМ-5,3/МСБТН (тонкопленочных), в которых дополнительно проектируются пленочные элементы.
Для многослойных тонкопленочных полиимидных и толстопленочных керамических плат — пакет ПРАМ-5,3/МПЛ. Пакет ПРАМ-8 предназначен для разработки плат с печатно-проводным монтажом.
Процесс разработки плат. Выбор материала основания платы осуществляют, исходя из назначения и условий применения, требований к конструктивно-технологическим показателям. Здесь выбирают технологию изготовления, задающую ограничения на размеры и достижимую плотность печатного рисунка.
До начала топологического конструирования должны быть определены, пусть приближенно, габаритные размеры платы. Ориентировочные размеры находят, суммируя площади установочных моделей ИЭТ и округляя до ближайшего стандартного или унифицированного типоразмера. Затем необходимо выбрать критерии оптимизации размещения и трассировки, сформировать множество подлежащих учету требований. На основе оценки сложности электрической принципиальной схемы, составления формализованного задания и подготовки данных принимают решение о методе проектирования: ручном, полуавтоматизирован-ном или автоматизированном.
По заданному алгоритму выполняют размещение и трассировку, проверяют выполнение ограничений. В случае нарушения какого-либо из них вносят коррективы и повторяют процесс разработки, причем обычно достаточно одного или двух циклов.
199
7.3. КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ Х ПЕРВОГО УРОВНЯ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
Ячейки и РЭМ1 на печатных платах. Кроме выполнения функциональных требований (размещение и соединение ИЭТ на плате) ячейки и РЭМ 1 должны обеспечить: конструктивную завершенность РЭФУ; конструктивную совместимость и надежное соединение с другими частями РЭС; устойчивость к внешним воздействиям; допустимый тепловой режим; эксплуатационную надежность ячейки и РЭС в целом; низкую стоимость.
В ряде случаев надежная защита корпусных ИЭТ от внешних воздействий и относительно высокая прочность ПП позволяют считать печатные узлы конструктивно завершенными изделиями при введении минимума каких-либо дополнительных, необязательных в аспекте реализации электрической принципиальной схемы элементов. Прежде всего, это передняя панель 1, кодовые 2 и другие элементы для правильной установки и механического крепления ячейки в модулях, электрический соединитель 3 (рис. 7.7). Преимуществом такой конструкции, называемой бескаркасной, являются простота и низкая стоимость. Определение габаритов ячеек бескаркасной конструкции ясно из рис. 7.7, например ширина ячейки
-г
У
&**
51=шах [Яс, Яэ]+Л + А, (7.14)
Рис. 7,7. Бескаркасная ячейка на печатной плате:
1—передняя панель; 2 — элемент кодирования; 3— соединитель; 4 — печат- 'ДЗ
ная плата; 5 — ИЭТ максимальной высоты , , f
200
где A—припуск размеров для обеспечения входимости в несущие конструкции высших уровней.
В ячейки каркасной конструкции введен еще один несущий элемент — каркас для установки ПП, повышающий устойчивость к механическим воздействиям и позволяющий объединять несколько ПП в многоплатных вариантах. Очевидно, что введение каркаса усложняет конструкцию, ухудшает конструктивные (масса, габариты) и стоимостные показатели.
В конкретных изделиях отдельные конструктивные элементы могут отсутствовать, например электрический соединитель в ячейках книжной конструкции или печатных платах простых РЭС, передние панели на платах телевизоров и других бытовых РЭС. С другой стороны, простая контрольно-измерительная аппаратура, микрокалькуляторы и другие одноплатные РЭС представляют собой конструктивно завершенные изделия, предназначенные для автономной эксплуатации. В этом случае разрабатывают оригинальные несущие конструкции и корпуса, конструкцию и материалы которых определяют назначение и условия применения РЭС.
Учет влияния внешних факторов. Характер и степень влияния климатических факторов определяют, в первую очередь, физические свойства материалов ПП. В частности, для стеклотекстолита температурный коэффициент линейного расширения равен 8-10-6К'1, для меди — 16-10-бК-1, что может вызвать смещение слоев меди и стеклотекстолита друг по отношению к другу. В действительности из-за хорошей адгезии и пластической деформации материалов смещения слоев не происходит, но возникают значительные внутренние механические напряжения, вызывающие усталостные явления и отказы соединений, особенно у выводов многоконтактных ИЭТ и во внутренних слоях МПП.
Слоистые материалы склонны к короблению, степень которого зависит от материала и размеров основания, условий эксплуатации.
Несмотря на хорошую влагостойкость стеклотекстолита, фторопласта и других материалов, кроме гетинакса, принимают меры по защите ПП от влаги, так как поверхность диэлектрика быстро покрывается адсорбированным слоем влаги и загрязнений, который определяет утечки, диэлектрические потери, электрическую прочность, качество соединительных дорожек и паек. Для защиты используют кремнийорганические лаки или лаки на основе эпоксидных смол, покрытие органическими компаундами. Защитные покрытия положительно влияют на механические свойства ПП за счет приклеивания лаком навесных ИЭТ и увеличения жесткости пластин основания. Для защиты проводящих слоев от окисления, сохранения паяемости используют металлические покрытия, например сплав Розе.
Значительное влияние на конструкцию ячейки оказывают не только климатические, но и механические воздействия, которые
201
могут привести к нарушению мест припайки ИЭТ, обрыву их выводов, разрыву слоя металлизации в отверстиях или печатных проводников. Уровень вибрационных воздействий максимален при вхождении конструкции в резонанс, причем в качестве основной динамической характеристики ячейки принята низшая резонансная частота ПП [7.1], которую определяет зависимость
f0 = AKuKBeJ(K)ha~2, (7.15)
где А—коэффициент пропорциональности; Км — коэффициент, определяемый свойствами материалов; Квес— коэффициент, учитывающий массу размещенных ИЭТ; a, b, h — меньшая, большая стороны и толщина платы; к = а1Ь — отношение меньшей из сторон к большей; /(X) — функция, зависящая от соотношения сторон и способа закрепления ПП.
Возможность изменения резонанса ПП за счет выбора материала основания достаточно ограничена. Даже при переходе от слоистых диэлектриков к стали или алюминиевым сплавам Км увеличивается примерно в два раза. С другой стороны, из (7.15) виден резкий характер зависимости /0 от геометрических размеров ПП. При увеличении толщины h пропорционально возрастает f0, но одновременно возрастают масса и материалоемкость, диаметры переходных отверстий. Эффективным способом повышения является уменьшение габаритов ПП, однако это может противоречить требованиям оптимального разукрупнения РЭС.
Хорошие результаты дает рациональный выбор способа крепления ПП. В [7 1] в качестве основных приняты четыре способа крепления ПП: установка в направляющие; крепление к каркасу в четырех точках по углам; в пяти — по углам и в центре; в шести — по углам и с краев посредине. Из приведенных данных следует, что:
наивысшую резонансную частоту дает крепление по углам и в центре ПП, однако в этом случае необходимо усложнить каркас либо ввести дополнительную жесткую пластину для крепления в центре;
без усложнения несущих конструкций хорошие результаты можно получить при креплении ПП к каркасу по периметру.
Поскольку для неамортизированных РЭС рекомендуется резонансная частота не ниже 60 Гц, то длинные платы должны быть каркасной конструкции с креплением по периметру или с дополнительным креплением в центре.
Унификация и стандартизация основных конструктивных параметров печатных плат. Основные размеры ПП для РЭС, несущие конструкции которых выполнены в метрической системе мер, устанавливает ГОСТ 10317—79. Наибольший размер ПП по каждой из координатных осей должен быть меньше 470 мм при максимальном соотношении сторон, не превышающем 3:1. 202 '
Внутри этой зоны шаг размеров ПП до 100 мм кратен 2,5 мм, до 350 мм — 5,0 мм, а свыше 350 мм — 10 мм. Принятый в ГОСТ набор шагов позволяет во всех случаях выбрать практически оптимальный размер ПП. Действительно, при малых изменениях линейных размеров относительное изменение площади
A Lo \ АН0 ALp
Для худшего случая Lo=100 мм и шага 5,0 мм относительное изменение площади составляет 5%, что удовлетворяет требованиям.
С целью улучшения показателей унификации изделий проведены работы по резкому ограничению типоразмеров ПП (единицы— десятки), допустимых в выпускаемой отраслью продукции. В то же время уровень межотраслевой унификации для РЭС примерно одного класса очень невысок.
Для РЭС, выполненных в международной «19-дюймовой» системе, размеры ПП заданы исходя из размеров корпусов блоков (см. § 6.3), так что число возможных типоразмеров в ГОСТ 26204— 81 (СТ СЭВ 3266—81) в отличие от ГОСТ 10317—79 невелико.
В соответствии с ГОСТ 23751—86 для ОПП, ДПП, МПП и ГПП установлены пять классов точности рисунка. Основные конструктивные параметры элементов печатного рисунка в зависимости от класса приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1. Основные конструктивные параметры элементов печатного рисунка
Параметр элемента печатного рисунка Номинальные значения размеров для класса точности
1 2 3 4 5
Минимальная ширина проводника b и зазора s, мм 0,75 0,45 0,25 0,15 0,10
Предельное отклонение Д/> про- + 0,25 + 0,15 + 0,10 ±0,05 ±0.03
водника с металлическим покрытием, мм -0,20 -0,10
Гарантийный поясок, Z>min, мм 0,30 0,20 0,10 0,05 0,025
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы у 0,40 0,40 0,33 0,25 0,20
Допуск на отверстие диаметром + 0,05 +0,05 + 0 + 0 +0
до 1 мм с металлизацией A d, мм -0,15 -0,15 -0,10 -0,10 -0,075
Допуск на отверстие диаметром + 0,10 + 0,10 + 0,05 + 0,05 +0,05
свыше 1 мм с металлизацией At/, мм -0,20 -0,20 -0,15 -0,15 -0,15
Для повышения технологичности целесообразны наименьшие допустимые классы точности.
203
$ Рис. 7.8. Унифицированная ячейка бескаркасной конст-
рукции:
1 — панель; 2 — винт невыпадающий; 3- плата печатная; 4— розетка соединителя; 5. б—элементы кодирования
Расположение переходных и монтажных отверстий, контактных площадок и другого на ПП регламентирует координатная сетка. В настоящее время допустимы несколько размеров шагов координатной сетки, но предпочтителен основной — наиболее крупный шаг 2,5 мм. В аппаратуре с широким применением ИМС шаг сетки определяет шаг выводов корпусов, равный 2,5; 1,25; 1,0 или 0,625 мм.
Для ПП, выполненных в дюймовой системе мер, в качестве основного принят шаг 2,54 мм, дополнительного—1,27 мм. Следует отметить, что различия в шаге метрической и дюймовой систем практически незаметны, в РЭС на дискретных элементах и ИМС, имеющих не более восьми выводов в ряд.
Конструкции унифицированных ячеек. Радиоэлектронные модули первого уровня, построенные на основе унифицированных базовых конструкций первого уровня (УБНК-I), называют унифицированными ячейками (ЯУ), которые предназначены для применения в стационарных, подвижных наземных, морских и самолетных РЭС. В систему входят унифицированные ячейки нескольких типов: бескаркасные, со сборным и литым каркасами [7.3].
Радиоэлектронный модуль типа ЯУ1 (рис. 7.8) представляет собой бескаркасную конструкцию, несущим элементом которой является двухсторонняя или многослойная плата 3, на которую установлены: панель 7, розетка 4 соединителя типа СНП-34 и элементы кодирования 5, 6. Передняя панель выполнена из термопластичной пластмассы и снабжена невыпадающими винтами 2 для крепления в УБНК-П. Конструкция панели предусмат-204
317, 7± 0,1
,rf< Рис. 7.9. Унифицированная ячейка со сборным каркасом:
1—панель; 2—траверса; 3 направляющая; 4 плата печатная основная; 5 -розетка г "'"И соединителя; 6 — планка лицевая; 7—винт; 8 — винт-домкрат; 9— плата печатная дополнительная; 10—планка кодовая «В»; 11—втулка; 12 — плаика кодовая «Н»
ривает установку дополнительной платы. Кодирующие элементы 5 и 6, предотвращающие ошибочную установку ячейки в блоке не по адресу, выполнены в виде индексных гребенок. Выкусывая зубцы гребенки в соответствии с таблицей кодов, получают 36 вариантов установки. Четыре типономинала ЯУ1 отличаются только длиной ПП: 75, ПО, 150 и 200 мм при высоте 170 мм.
Типичным примером конструкций со сборным каркасом является унифицированная ячейка типа ЯУ2 (рис. 7.9), в которой ПП достаточно больших размеров (170 x280 мм) закреплена в сборном каркасе, состоящем из передней панели 1, траверсы 2 и двух одинаковых перфорированных направляющих 3. Передняя панель и траверса, к которой крепят направляющие, электрический соединитель и индексные (кодовые) втулки, выполнены из алюминиевого сплава литьем под давлением, а направляющие—с помощью точечной сварки профилей из тонколистовой нержавеющей стали. Конструкция каркаса позволяет устанавливать не только одну, но и две ПП — основную 4 и дополнительную 9, причем основной считают плату, в отверстия которой распаяны выводы розетки 5 соединителя СНП-34. Для доступа к внутренним сторонам ПП дополнительная плата выполнена откидной и электрически соединена с основной платой с помощью плоских кабелей или объемных проводников. Механическое крепление ПП к ребрам направляющих осуществляют с помощью винтов и резьбовых втулок, развальцованных в ребрах. Для электромагнитного экранирования, защиты ИЭТ и монтажа от повреждений, повышения жесткости, крепления ПП в центре может быть установлен экран.
Правильность установки ЯУ2 обеспечивают индексные втулки 11, имеющие фигурные отверстия, и соответствующим образом
205
Рис. 7.10. Невыпадающий винт (а) и винт-домкрат (б):
1, 5—резьбовые втулки; 2— невыпадающий винт; 3 -пружина; 4—вннт-домкрат
ориентированные направляющие штыри в УБНК второго уровня разукрупнения.
Переднюю панель 1 закрывает лицевая планка 6, на которой нанесены информационные надписи и могут быть размещены элементы индикации. Здесь установлены невыпадающий винт и винт-домкрат, выполняющий функцию досылателя-съемника (рис. 7.10). Положение невыпадающего винта в нерабочем положении фиксирует специальная пружина 3.
Несущим элементом унифицированных ячеек типа ЯУЗ (рис. 7.11) является изготовленный из алюминиевого сплава литьем под давлением каркас 7, на который устанавливают одну или две (с двух сторон) платы 2 размерами 360 х 220 мм, две розетки соединителей типа СНП-34, штыри-ловители 4 и рычаги 5. Штыри-ловители облегчают установку и фиксацию ЯУЗ в УБНК-П, а рычаги наряду с надежной фиксацией обеспечивают досылку и легкий съем ЯУЗ.
В модулях с повышенным тепловыделением и плотной упаковкой, конвективного отвода тепла от ИМС и микросборок недостаточно. Обеспечить тепловой режим здесь можно за счет интенсификации отвода тепла от нагретых ИЭТ, включая организацию эффективного теплостока и получение хороших тепловых контактов с каркасом модуля, несущими конструкциями второго уровня или элементами системы охлаждения. В ОСТ 4ГО.010.009—84 разработан ряд типовых конструктивных решений по обеспечению теплового режима РЭМ 1 с повышенным тепловыделением, включая установку ИЭТ на теплоотводящие шины, керамические и металлические основания, тепловые трубы. Пример ячейки, в которой отвод тепла от мощных бескорпусных микросборок осуществлен с помощью теплоотводящих шин, приведен на рис. 7.19, а металлического основания—на рис. 7.20.
Особенности конструирования РЭМ1. В сложных РЭС, выполненных, как правило, на основе БНК, для выбора типоразмеров достаточно результатов топологического конструирования и требований технического задания. ’*
206
Рис. 7.11. Унифицированная ячейка с литым каркасом:
I- каркас; 2— плата печатная;
3- розетка соединителя; 4— штырь-ловитель; 5— рычаг
Для выбора типа ячейки (бескаркасная или каркасная), способа крепления ПП производят расчет ее резонансной частоты.
Для обеспечения тепловых режимов на плате могут быть установлены радиаторы, тепловые шины или трубы, узлы теплового контакта с несущими конструкциями высших уровней.
Расчеты, связанные с защитой от механических воздействий и обеспечением тепловых режимов, приведены в гл. 11.
Кроме ПП, обычно разрабатывают передние панели, на которые установлены лицевые панели с надписями, органы индикации и управления, контрольные гнезда и др. Следует иметь в виду, что панели во многом определяют эргономические показатели, удобство эксплуатации, ремонтопригодность ячеек и формируют внешний вид РЭС.
7.4. КОНСТРУИРОВАНИЕ МИКРОСБОРОК
И МИКРОБЛОКОВ
Микросборки, микроблоки и ячейки с бескорпусными ИЭТ. Навесные ИЭТ микросборок (компоненты) могут быть в корпусном или бескорпусном исполнении. Положительные и отрицательные свойства бескорпусных ИЭТ обусловлены отсутствием индивидуальной защиты от внешних воздействий. Прежде всего, это уменьшение примерно на порядок линейных размеров, что позволяет увеличить плотность упаковки, уменьшить габариты и массу конструкции в целом, сократить длину электрических
207
Рис. 7.12. Варианты защиты бескорпусных ИЭТ от внешней среды:
а—микросборки; б—локальная защита трупп ИЭТ; в — общая защита; I—корпус или крышка; 2—бескорпусные ИЭТ; 3- подложка микросборки; 4 основание модуля; 5—корпусные ИЭТ; 6 — выводы
соединений, но одновременно может повыситься напряженность теплового режима. В свою очередь, необходимая для защиты бескорпусных ИЭТ герметизация (см. гл. 11) усложняет конструкцию и несколько ухудшает массогабаритные показатели РЭС, но одновременно с ИЭТ позволяет защитить проводящий рисунок, места присоединения выводов и другое, примерно на порядок повышая безотказность и в то же время снижая ремонтопригодность.
Конструкцию модулей с бескорпусными ИЭТ определяет, в основном, способ установки и защиты компонентов от климатических воздействий. Возможные решения (рис. 7.12): применение корпусных микросборок и серийных ИС, микроблоков, крупногабаритных ячеек. Микроблок представляет собой микроэлектронное изделие, в котором наряду с компонентами и элементами на общее основание установлены микросборки. Напротив, 208
в крупногабаритных ячейках все компоненты установлены на общее, например, металлическое основание ячейки непосредственно.
Групповую защиту от климатических воздействий осуществляют следующими способами: локальной герметизацией установленных на подложки или непосредственно на основание групп ИЭТ (см. рис. 7.12,6); общей герметизацией подложек в составе РЭМ первого или более высоких уровней (рис. 7.12,в).
Каждый из вариантов установки и защиты компонентов имеет свои преимущества и недостатки. Установка бескорпусных ИЭТ непосредственно на общее основание ячейки является наилучшей в аспекте массогабаритных показателей и теплового режима из-за устранения промежуточных слоев. В то же время при увеличении функциональной и элементной сложности ячеек целесообразно их разделение на части с конструктивной завершенностью, дающей возможность их раздельного изготовления, контроля и восстановления работоспособности. Выделение таких модулей и изготовление их в виде бескорпусных микросборок позволяет найти компромиссное решение.
Основные случаи, в которых оправдан переход к бескорпусным компонентам, следующие: повышенные требования к конструктивным показателям РЭС; миниатюризация ячеек с ИЭТ, плохо или совсем не совместимыми с интегральной технологией, например с трансформаторами.
Применение микросборок и ячеек с бескорпусными компонентами может ухудшить некоторые технико-экономические показатели РЭС, поэтому оценку эффективности их применения следует производить по комплексному критерию, учитывающему значимость отдельных показателей качества в зависимости от назначения, условий эксплуатации, серийности и других требований к РЭС.
Особенности конструирования пленочного проводящего рисунка. Конструирование пленочного рисунка плат микросборок и модулей с бескорпусными компонентами сохраняет основные черты разработки рисунка ПП, тем более что керамические и металлические основания сейчас используют и в случае установки корпусных ИЭТ. Главные отличия следующие: изменение конструкторско-технологических ограничений при использовании других материалов и технологических процессов; включение в пленочный рисунок пассивных (чаще всего резисторов, конденсаторов) элементов.
Различия в конструировании тонко- и толстопленочного рисунка определяются, главным образом, разной точностью воспроизведения линейных размеров и совмещения слоев. Если сопоставить данные для масочной тонкопленочной, наиболее распространенной при мелкосерийном производстве, и толстопленочной технологий, приведенные, например, в [7.4], с возмож-
209
idli о: эп
Рис. 7.13. Элементы проводящего толстопленочного рисунка:
а, б - контактные площадки: « пересечение проводников; г—контактный переход между проводящими слоями
ностями изготовления проводящего рисунка ПП, то видно, что они соответствуют пятому, во многом даже четвертому классу точности ГОСТ 23751—86.
На рис. 7.13 приведены фрагменты, иллюстрирующие особенности изготовления толстопленочного проводящего рисунка, в частности защита проводников в местах нанесения лудящего слоя и пайки.
Наличие пленочных резисторов и конденсаторов оказывает значительное влияние на конструирование плат. После определения размеров элементов пленочного рисунка выполняют размещение и трассировку по алгоритмам, аналогичным для ПП с корпусными ИЭТ. Сохранены и общие принципы конструирования плат, например предпочтительное расположение компонентов рядами и столбцами.
Ориентировочная площадь платы
(Е sK0Mnij+£s3JIik+XsK0HTil V (7Л6>
Ks U к I ) П
где Ks—коэффициент заполнения площади платы; ^S’komhij— площадь, занимаемая компонентами; —суммарная пло->
, , к с ' Н
210
щадь элементов, на которые недопустима установка компонентов; Е^конт1( — суммарная площадь контактных площадок.
i
Отдельный учет контактных площадок связан, во-первых, с их относительно большими по сравнению с компонентами размерами, во-вторых, с необходимостью дополнительного введения технологических контрольных площадок.
Типоразмеры плат стандартизованы, а число их невелико. Это связано с групповым изготовлением плат микросборок на основаниях 68x40 мм или 120 x96 мм и тем, что отклонение от стандартных размеров плат не позволяет устанавливать стандартные или унифицированные корпуса ИМС. Невелико число стандартных размеров керамических многослойных плат. Размеры плат с металлическим основанием должны соответствовать ГОСТ 10317—79 или размерам БНК1 используемой конструкционной системы.
Конструкция микросборок. Установка небольших по массе и габаритам компонентов в соответствии с ОСТ 4Г0.010.220 обеспечивает их надежную фиксацию при различных механических воздействиях. Очевидно, что резонансная частота плат микросборок всегда выше резонансной частоты объединяющей их ПП ячейки, так что обеспечение механической устойчивости и прочности микросборок не вызывает затруднений. В то же время на конструкцию микросборок во всех случаях значительно влияет способ защиты бескорпусных компонентов, а при повышенных рассеиваемых мощностях — и отвода тепла. Для защиты от климатических воздействий плату с компонентами помещают в пластмассовые, металлопластовые, металлостеклянные, металлокерамические или керамические вакуумплотные корпуса. Невысокие защитные свойства пластмассовых корпусов, несмотря на их дешевизну и технологичность, ограничивают их применение бытовыми и стационарными, работающими в закрытых отапливаемых помещениях РЭС.
Герметизацию низкочастотных и маломощных микросборок часто осуществляют с помощью стандартных металлостеклянных корпусов подтипа 12 типа 1 (рис. 7.14). В зависимости от типономинала корпусов размеры монтажной зоны (пространства, в котором размещают платы с компонентами) изменяются в достаточно широких пределах, что позволяет монтировать в них РЭФУ различной сложности. Металлостеклянные корпуса обладают отличными защитными свойствами, но в производстве относительно дороги.
Для толстопленочных микросборок разработаны стандартные керамические и металлокерамические корпуса, в которых в качестве основания и крышки использованы многослойные керамические платы микросборки, установленные с двух сторон керамической или металлической рамки 2 (рис. 7.15). Корпуса такого типа
211
ЭГ-'-
Рис. 7.14. Металлостеклянный стандартный корпус для микросборок:
1 -основание корпуса; 2—вывод; 3 — крышка корпуса; 4 — трубка для вакуумирования
Рис. 7.15. Керамический корпус микросборки:
/ — керамические платы; 2—рамка; 3- -перемычка; 4— выводы
имеют высокую технологичность, сочетаются с методами изготов-ления толстых пленок, обладают хорошими защитными и теплофизическими свойствами.
Корпуса мощных микросборок должны иметь монтажные зоны достаточных размеров и малое тепловое сопротивление. В унифицированном корпусе для вторичных источников питания (рис. 7.16) на двух боковых стенках массивного фрезерованного основания (чашки) 1 установлены гермовводы 3, диаметр которых должен соответствовать величине протекающих токов. В демонстрируемом паяном соединении для устранения проникновения флюса во внутренний объем микросборки во время пайки в зазор уложена прокладка 6 из термостойкой резины. После укладки стальной проволоки 5 зазор запаивают легкоплавким припоем, а для уменьшения перегрева на крышке выфрезеровывают тепловую канавку 4. Вакуумирование и заполнение микросборки сухим азотом осуществляют через трубку 7, которую после этого запаивают.
В микросборках ВЧ- и СВЧ-диапазонов для ввода и вывода сигналов необходимо применять коаксиальные или волноводные герметичные соединители. В этом случае гермовводы удобно располагать на боковых стенках корпусов рамочной конструкции. В штампованном корпусе (рис. 7.17) к рамке 4 присоединены высокочастотный 7 и низкочастотный 8 выводы, приварен поддон 212
Рис. 7.16. Корпус мощной микросборки:
/ — основание: 2— крышка; 3— гермовводы; 4 — канавка; 5- проволока; 6 — прокладка; 7— трубка для вакуумирования
б, на который устанавливают плату
1 с компонентами 2. После
завершения монтажа к основанию сваркой по контуру приваривают крышки 3, 5. Штампованные корпуса рамочного типа обладают хорошей технологичностью, но из-за приварки по контуру крышек 3, 5 не подлежат вскрытию, так что их можно использовать для простых невосстанавливаемых модулей. В сложных модулях, причем не только СВЧ-диапазона, получили распространение литые рамки из алюминиевых или магниевых сплавов, которые герметизируют с помощью паяных соединений.
Конструкции микроблоков и ячеек с бескорпусными компонентами. Микроблоки и ячейки на бескорпусных ИЭТ имеют большие, чем микросборки, размеры, что усложняет их герметизацию. При выборе способа герметизации и установления объема гермозоны нужно иметь в виду, что не все ИЭТ или элементы пленочного рисунка нуждаются в дополнительной защите, поэтому при использовании керамических или металлических оснований достаточно локальной герметизации групп компонентов, чувствительных к внешней среде. В настоящее время разработаны методы, хорошо сочетающиеся с толстопленочной технологией, например припайка коробчатой металлической крышки к металлическому пояску на поверхности основания.
В микроблоке высокочастотного усилителя (рис. 7.18) ИЭТ объединены с помощью печатной платы, причем видно, что доля нуждающихся в герметизации бескорпусных микросборок мала в общей совокупности ИЭТ, но, несмотря на это, осуществлена общая герметизация. В альтернативном варианте платы микросборок можно герметизировать, поместив их в индивидуальные корпуса с выводами, а остальной объем оставить негерметизиро-
213
ванным. Однако в этом варианте общая конструкция негерметичной экранированной ячейки с межкаскадными экранами, обусловленная обеспечением электромагнитной совместимости, существенно не изменится. Некоторое упрощение конструкции негерметичного корпуса вряд ли компенсирует необходимость кор-пусирования четырех
микросборок и ухудшение показателей надежности, вызванное разгерметизацией паяных соединений.
В системе УБНК [7.1], в отличие от ряда других конструкционных систем, ячейки с бескорпусными и корпусными ИЭТ конструктивно совместимы, причем предусмотрена как индивидуальная герметизация РЭМ 1, так и групповая негерметизиро-ванных РЭМ1 в составе РЭМ2. Герметизированные ячейки по конструкции отличаются от негерметизированных, но их размеры, узлы механи
ческого и электрического соединений, которые должны обеспечить установку РЭМ1 в негерметизированные УБНК-П, сохраняются неизменными. Разработаны РЭМ1 в двух модификациях — с общей и локальной герметизацией.
Ячейки, предназначенные для групповой герметизации, строят, исходя из других принципов, так как в этом случае в РЭМ2 используют специальные герметичные несущие конструкции и соблюдать требования к присоединительным размерам РЭМ1 на корпусных ИЭТ не нужно. Кроме того, герметичные РЭМ2 в случае отказа требуют относительно больших затрат времени на разгерметизацию, так что весомость основных преимуществ легкосъемных РЭМ1 уменьшается, а недостатков — увеличивается. Учет этих факторов и обычно тяжелых условий эксплуатации приводит к тому, что здесь отдают предпочтение книжным вариантам конструкций.
В ячейке книжной конструкции (рис. 7.19) литая рама 5 имеет приливы с внутренней стороны для установки ПП и с внешней —
214
Рис. 7.18. Конструкция микроблока высокочастотного усилителя:
SJ 1 — ВЧ-гермоввод; 2—корпус; 3— печатная плата; 4—подложка микросборки; 5 — катушка индуктивности; 6 — навесные ИЭТ; 7—экран; 8 — трубка для “ вакуумирования; 9—НЧ-вывод
Рис. 7.19. Ячейка книжной конструкции с литой рамой:
1—плата; 2 — металлическая шина: 3 бескорпусные микросборкн; 4- печатные контактные площадки; 5 — литая металлическая рама; 6 - прилив
для объединения РЭМ1 в РЭМ2 с помощью шарнирного соединения. Печатные платы 1 с металлическими шинами для отвода тепла от микросборок 3 прикрепляют с двух сторон к раме 5 с помощью заклепок. Внешние электрические соединения выполнены с помощью гибкого печатного кабеля.
При повышенном тепловыделении эффективность тепловых шин недостаточна, и их заменяют на металлическое основание с хорошим теплостоком. В конструкции РЭМ1, приведенной на рис. 7.20, бескорпусные микросборки 2 установлены непосредственно по двум сторонам П-образного металлического основания 1 с окнами для выводов. Для обеспечения эффективного теплосто-ка к основанию 1 приварен прямоугольный воздуховод 3 с приливами для шарнирного соединения РЭМ1.
Особенности конструирования. Основные конструктивные параметры керамических плат определяют общие принципы топологического конструирования, свойства материалов и технологию изготовления пленочного рисунка. Разрешающая способность при масочном (трафаретном) способе нанесения пленок такого же порядка, как и при изготовлении ПП.
Важным вопросом является выбор способа защиты и типа корпуса, причем в аспекте технологичности предпочтительны бескорпусные толстопленочные микросборки, конструирование которых для ГАП рассмотрено в ОСТ 4.010.021—84. Для построения сложных цифровых РЭФУ перспективны бескорпусные микросборки с БИС и СБИС в керамических микрокорпусах.
216
Рис. 7.20. Ячейка книжной конструкции с металлическим теплоотводящим основанием:
7 — металлическое основание с отверстиями; 2—бескорпусные микросборки; 3- воздуховод: 4—печатные контактные площадки; 5 — плата печатная
При использовании в микроблоках керамических, оксидированных алюминиевых или покрытых стеклоэмалью стальных оснований применяют толстопленочную технологию, а покрытых поли-имидной пленкой стальных — тонкопленочную. Такие основания имеют высокую прочность и жесткость.
Большая сложность микроблоков затрудняет их защиту от внешних воздействий. Во-первых, это связано с увеличением объемов герметизируемых зон, во-вторых, с целесообразностью восстановления сложных РЭФУ после нарушения работоспособности. Удельная мощность в микросборках может достигать высоких значений, поэтому, несмотря на хорошую теплопроводность керамических и металлических оснований, тепловым режимам необходимо уделять серьезное внимание.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Укажите преимущества и недостатки печатного монтажа.
2. Приведите классификацию по материалу основания, технологии изготовления и числу проводящих слоев.
3. Сравните свойства и укажите области применения оснований из слоистых диэлектриков, керамики и металла.
4. Какие критерии наиболее распространены при оптимизации размещения ИЭТ, трассировке печатных проводников?
5. Укажите особенности разводки сигнальных и потенциальных проводников.
6. Какие возможные варианты конструктивного исполнения ячеек с корпусными ИЭТ?
7. Перечислите основные требования стандартов при разработке печатных плат.
8. Какие факторы влияют на выбор размеров печатных плат?
217
9. Сформулируйте основные особенности унифицированных базовых несущих конструкций УБНК-1.
10. Преимущества и недостатки ячеек с корпусными ИЭТ.
11. Сравните варианты конструкций ячеек с бескорпусными ИЭТ.
12. Что такое микросборки и микроблоки?
13. Особенности унифицированных ячеек с бескорпусными ИЭТ.
Глава 8. КОНСТРУИРОВАНИЕ БЛОКОВ И ШКАФОВ
8.1. НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ РЭС i ВЫСШИХ УРОВНЕЙ РАЗУКРУПНЕНИЯ
Назначение. На основе несущих конструкций второго уровня разукрупнения могут быть построены составленные из ячеек вставные блоки для установки в шкафы (стойки) или блоки с кожухами, имеющие индивидуальные средства защиты от внешних воздействий и предназначенные для установки на стеллажи или автономной эксплуатации. Типичный пример первого случая — самолетные РЭС, второго — электронные измерительные приборы.
Несущие конструкции третьего уровня разукрупнения должны обеспечить электрический и механический монтаж размещаемых на них блоков или ячеек, удобство эксплуатации и защиту РЭС от внешних воздействий. Большое влияние на НКЗ оказывают требования технической эстетики и эргономики, объект установки.
Требования. Основные требования к несущим конструкциям высших уровней разукрупнения следующие:
возможность размещения, механического и электрического соединения РЭФУ, СОИ и ОУ;
максимальное использование объема;
защита от климатических и механических воздействий;
унификация, стандартизация и типизация конструктивных решений;
конструктивная совместимость с другими РЭС, включая серийно выпускаемые промышленностью;
обеспечение нормальных тепловых режимов и электромагнитной совместимости;
высокая технологичность, малая трудоемкость и низкая стоимость разработки и изготовления;
согласованность с человеком-оператором;
удобство размещения модулей и РЭС в целом на объекте установки; л'.я, лш.л л
218
композиционная целостность и эстетическое оформление.
В случае разработки РЭС на основе конструкционных систем не только резко уменьшается объем проводимых работ, но и меняется их характер, так как выполняемые при этом оценки и расчеты фактически являются проверочными, нужными для выбора вида и типоразмера конструкций из системы.
8.2. БЛОКИ РАЗЪЕМНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Компоновочные схемы блоков. В несложных РЭС, например бытовых, возможно плоскостное размещение ячеек. Здесь (рис. 8.1) ячейки фактически представляют собой печатные узлы, а монтажные панели — плоские или коробчатые металлические шасси, на которые устанавливают трансформаторы, электролитические конденсаторы и другие крупногабаритные ИЭТ. В сложных РЭС такая схема непригодна, так как дает невысокое заполнение объема блока, а главное — не удовлетворяет требованиям к ремонтопригодности и готовности РЭС к использованию по назначению. Следовательно, механические соединения ячеек должны обеспечивать не только жесткость и надежность крепления в рабочем положении, но и легкий доступ к внутренним точкам РЭС при контроле и ремонте, для чего их делают подвижными с фиксацией рабочего положения с помощью винтов, защелок или замков.
На рис. 8.2 приведены основные схемы объединения ячеек в блоках, построенные с учетом обеспечения ремонтопригодности РЭС. В связи с преимущественным распространением разъемных конструкций наибольшее применение получил вариант, предусматривающий выдвижение ячеек в линейные направляющие, установленные в блоки (а). В неразъемных конструкциях чаще используют книжный раскрыв вокруг оси, перпендикулярной монтажной плоскости блока (в). Откидные конструкции (б) позволяют иметь доступ к любой ячейке при
неизменном пространственном положении других, но конструктивно сложнее
книжных. Возможны комбинированные варианты с несколькими ступенями свободы перемещения ячеек (г, д, е), из которых чаще других применяют простую по конструкции и удобную при эксплуатации «детскую книжку» (рис. 8.2,е). Вариант (г), позволяющий получать хорошие показатели ремонтопригодности, требует использования сложных телескопических направляющих.
Разъемная конструкция блоков.
В блоках разъемной конструкции ячейки устанавливают в ответные части электрических соединителей, расположенные на монтажной панели блока. Чаще других блоки разъемной конструкции строят по схеме с выдвижными ячейками (см. рис. 8.2,а). Конструктивно блоки выполняют в виде сборных каркасов
Рис. 8.1. Размещение ячеек в несложных РЭС:
1 -крупногабаритные ИЭТ; 2—печатный узел;
3— корпус; 4— монтажная панель
219
Рис. 8.2. Основные компоновочные схемы блоков
(рис. 8.3), на переднюю панель 1 которых устанавливают элементы фиксации, ручки, контрольные гнезда, СОИ и ОУ, а на задней панели 7—соединители для межблочной коммутации 4. Внутри объема блока, кроме зон внутриблочной 6 и межблочной 8 коммутаций, предназначенных для установки соединителей и распайки их хвостовиков, выделяют установочную зону 2 для вдающихся внутрь блока частей СОИ и ОУ, деталей крепления передней панели. Размер зон коммутации обычно равен 30. .60 мм.
Рис. 8.3. Блок разъемной конструкции:
J — панель передняя; 2—зона установки передней панели; 3— ячейка; 4—соединитель; 5 — монтажная панель; 6— зона внутриблочной коммутации; 7—панель задняя; 8 — зона межблочной коммутации
220
в)
Рис. 8.4. Пространственная ориентация ячеек и монтажной панели в блоках разъемной конструкции:
'll 1—панель передняя; 2—ячейка; 3 — зона межблочной коммутации; 4 — монтажная панель;
5 — зона внутриблочной коммутации
Ячейки 3 в блоках устанавливают с зазором, величину которого определяют: обеспечение входимости, прогиб плат и достаточная ширина канала для прохода охлаждающего воздуха. Длина пакета из У ячеек L = NL0, где Lo — шаг установки ячеек, определяемый шириной ячейки и зазором между ними. Длина блока
Z.2 — NL® + Ly 4-
где Ly, Ly — длины установочной зоны и зоны внешней коммутации.
Представленное на рис. 8.3 расположение ячеек в блоке принято в ряде отраслевых стандартов, в частности в конструкционной системе УБНК, но далеко не единственное. Более того, ГОСТ 20504—81 (см. § 6.3) предполагает вертикальную установку ячеек перпендикулярно передней панели блока.
В блоках разъемной конструкции с естественным охлаждением основную роль играет отвод тепла за счет конвекции, поэтому здесь целесообразно вертикальное расположение плат (рис. 8.4,а—г). Расположение монтажной панели снизу блока, несмотря на некоторое упрощение конструкции, ухудшает естественную конвекцию, так что варианты (а) и (г) применяют в несложных электронных измерительных или бытовых приборах с низкой плотностью упаковки и малыми значениями удельных мощностей рассеяния. Заднее расположение монтажной панели (см. рис. 8.4,в) позволяет совмещать зоны внутри- и межблочной коммутации. В некоторых конструкционных системах, например для СМ ЭВМ, при малых мощностях или принудительном охлаждении применяют горизонтальное расположение ячеек (см. рис. 8.4,д,е), что дает возможность строить блоки с небольшим шагом по высоте, используя ячейки одного размера. Принятое в системе УБНК построение блоков (см. рис. 8.3 и 8.4,6) удобно для РЭС, устанавливаемых
221
BuS 5
Рис. 8.5. Конструкции направляющих для установки ячеек:
а—групповая; б— кронштейн; в - индивидуальная С-образная
на подвижных объектах с интенсивными механическими воздействиями и ограниченными размерами аппаратных отсеков.
В блоках разъемной конструкции распространена установка ячеек в направляющие, обеспечивающая быстрое сочленение соединителей, повышенную устойчивость к вибрациям и ударам, при использовании материалов с высокой теплопроводностью — дополнительный теплосток. Направляющие изготавливают из прокатаных или гнутых профилей, литьем из алюминиевых сплавов или пластмасс под давлением, фрезеровкой металлических пластин, штамповкой тонких листов, прессованием термопластмасс.
Групповая направляющая (рис. 8.5,а) представляет собой тонкий стальной лист, на котором вырубкой и отбортовкой получены выступы, образующие стенки для вдвигания ячеек. Индивидуальные направляющие могут быть в виде кронштейнов (рис. 8.5,5) или С-образных конструкций (рис. 8.5,в). Поскольку размеры ячеек должны быть сопряжены с размерами направляющих, то С-образные направляющие имеют ограниченную универсальность, но допускают построение блоков без несущей монтажной плоскости. Индивидуальные направляющие позволяют изменять зазоры между ячейками, а групповые более технологичны при изготовлении и удобнее при сборке.
Унифицированные базовые несущие конструкции второго уровня (УБНК-П). Особенности блоков разъемной конструкции рассмотрим на примере системы УБНК (см. § 6.4), в которой унифицированные блоки (БУ) построены на основе универсальных шасси нескольких типов. На шасси крепят С-образные направляющие г установленными на них вилками соединителей типа СНП-34 или СНО-58. Четырнадцать типоразмеров универсальных щасси отличаются размерами В2 и L2- а все многообразие типов унифицированных блоков получают путем присоединения к универсальному шасси различных передних и задних панелей.
На передней панели блока типа БУ 1.01.6 и ряда других установлены фигурные штыри 3 для извлечения блока с помощью специального съемника (рис. 8.6). При 222
Рис. 8.6. Конструктивное оформление унифицированного блока:
/—шасси универсальные; 2 - панель передняя; 3 штырь; 4 панель задняя; 5 — штырь кодовый; 6 - шгырь-ловитель
невысокой интенсивности механических воздействий для фиксации рабочего положения достаточно контактных усилий соединителя, поэтому невыпадающие винты на передней панели отсутствуют. На задней панели размещают электрические соединители для межблочного электромонтажа, штыри-ловители, кодовые штыри или втулки.
В блоках БУ1 возможно лишь однорядное расположение унифицированных ячеек типа ЯУ1 (см. рис. 7.10). Для двухрядной установки ЯУ1 или однорядной ЯУЗ (см. рис. 7.13), имеющих двойные размеры по высоте, разработано универсальное шасси, являющееся основой для построения унифицированных блоков двойной высоты типа БУ2. Способы построения, конструкции шасси и блоков на его основе подобны рассмотренным выше.
Корпуса блоков на основе УБНК-П обладают высоким уровнем унификации и стандартизации, конструктивной преемственности, поскольку в большинстве
223
Рис. 8.8. Установка РЭМ2 в блочном каркасе:
/--каркас блочный; 2 -РЭМ2; 3— панель; 4— монтажная панель; 5 —соединитель; 6, 7 — планка и втулка кодирующие; 8—втулка ловителя; 9 —направляющая
случаев оригинальным конструктивным элементом является лишь передняя панель, на которой размещают СОИ и ОУ. Внесение изменений обычно сводится к типовым решениям, например установке дополнительных элементов крепления, введению ребер жесткости или конструктивных элементов для уменьшения теплового сопротивления между РЭМ2 и БНКЗ.
Блочные каркасы. В системе УБНК и ряде других блоки размещают в блочных каркасах (рис. 8.7), на которые устанавливают направляющие 3 и монтажную панель 7, предназначенную для размещения ответных частей соединителей и выполнения межблочного монтажа.
В блочный каркас могут быть установлены блоки типов БУ1 или ячейки типа ЯУ2. Блок 2 вдвигают в блочный каркас 1 по направляющим 9 (рис. 8.8). Штыри-ловители, расположенные на УБНК-П, входят во втулки 8 до начала соединения электрического соединителя 5, обеспечивая правильную пространственную ориентацию контактных пар. Установка возможна только при согласованном положении кодирующего штыря РЭМ2 и втулки 7 на кодирующей планке 6.
8.3. БЛОКИ С КОЖУХАМИ
Кожуха. При широком использовании ИС, БИС и УФЭ для размещения многих функционально сложных РЭС достаточно несущих конструкций второго уровня разукрупнения. В ряде случаев конструктивное разъединение РЭС необходимо для выноса отдельных РЭФУ в другие помещения или на открытый воздух поближе к источникам сигналов. Для этой цели необходимы блоки с большей, чем у вставных, автономией применения.
Кожух — наружная оболочка блока или шкафа, выполняемая чаще всего из листового материала и предназначенная для придания изделию автономности применения, законченного вида, экранирования, защиты от атмосферных воздействий и устранения несанкционированного доступа во внутренний объем РЭС. Особые требования предъявляют к кожухам при герметизации РЭС. Во многих случаях кожух рассматривают совместно с каркасом как единое изделие — корпус РЭС.
224
Рис. 8.9. Универсально-сборный приборный корпус:
/ — •стенка боковая; 2 — стяжка; 3 — панель верхняя; 4 — угольник; 5- - панель боковая; 6 — ручка откидная; 7—ножка-амортизатор; 8 — упор откидной
В большинстве случаев для негерметичных РЭС применяют сборные кожуха.
Приборные корпуса. Под приборными понимают корпуса, в первую очередь, предназначенные для размещения настольных или переносных измерительных приборов, однако область их применения распространена на другие РЭС сопоставимой сложности и условий эксплуатации. Корпуса должны обеспечить необходимую степень защиты от пыли, брызг и других внешних факторов, удовлетворять требованиям технической эстетики. На передней и задней панелях располагают СОИ и ОУ для взаимодействия с человеком-оператором и соединители для связи с другими устройствами.
Основу конструкционной системы приборных корпусов (см. рис. 6.6) составляют базовые каркасы, добавляя к которым арматуру и детали, получают как стоечное исполнение корпусов (вставные блоки), так и настольное (приборные корпуса). Ширина базового корпуса соответствует основной ширине блоков, выполненных в метрической системе мер, и равна 480 мм (ГОСТ 20504—81).
Базовый корпус (рис. 8.9,а) составлен из двух литых из алюминиевого сплава боковых стенок 1 и стяжек 2. Приборные корпуса закрывают панелями 3, на которых в случае необходимости могут быть выштампованы вентиляционные отверстия (перфорации) для отвода нагретого воздуха. В стоечном исполнении (рис. 8.9,6) на базовый корпус дополнительно устанавливают планки и угольники 4 для крепления в стойке; в настольном (рис. 8.9,в) — четыре ножки 7, а для приборов массой до 20 кг — и откидной упор 8, обеспечивающий удобный наклон передней панели. Настольные корпуса могут быть с боковыми откидными ручками б или без них.
Блоки книжной, откидной и этажерочкой конструкций. При повышенных требованиях к конструктивным показателям РЭС используют книжный (см. рис. 8.2,в), откидной (см. рис. 8.2,6) и этажерочный варианты конструкции блоков.
Блок книжной конструкции приведен на рис. 8.10. В ячейке 1 ИМС повышенной степени интеграции и микросборки смонтированы с одной стороны
8 Зак. 2019
225
Рис. 8.10. Блок книжной конструкции:
1 — ячейка; 2—панель передняя; 3— панель задняя; 4— рама средняя; 5 — стенка боковая;
6 — плата печатная соединительная; 7 — винт стяжной; 8 — плоский кабель; 9 — колодка соединительная
металлического основания с окнами, а печатная плата установлена с другой. К средней раме 4, соединяющей переднюю 2 и заднюю 3 панели (стенки), шарнирно прикреплены ячейки 1 и соединительная печатная плата 6, с помощью которой и гибкого плоского кабеля 8 осуществлена внутриблочная коммутация. Для улучшения отвода тепла основания ячеек снабжены отверстиями для прохода воздуха и тепловыми ребрами, имеющими хороший тепловой контакт с несущими конструкциями третьего уровня. Применение книжных конструкций особенно эффективно в герметичных блоках, построенных на основе ячеек с бескорпусными ИЭТ и микросборками.
Шарнирные узлы, обеспечивающие раскрытие блоков книжной конструкции, должны быть по возможности простыми. При небольшом числе объединяемых ячеек используют петли (рис. 8.11,а,6). Если в пакете больше четырех-пяти ячеек, то применяют шарнирные узлы из звеньев более сложной конфигурации (рис. 8.11,в).
Книжные конструкции имеют много модификаций. Например, на рис. 8.12,а приведен распространенный вариант блока с двойным раскрывом вокруг горизонтальной оси. Возможны блоки с тройным и четверным раскрытиями. В случае «детской книжки» (см. рис. 8.12,6) шарнирные механизмы отсутствуют, а механи-
226
Рис. 8.11. Конструкция шарниров
ческое и электрическое соединения герметичных ячеек в раскрытом состоянии выполняют ГПК. В рабочем состоянии пакет сложен и стянут винтами.
В блоках откидной конструкции вертикально расположенные ячейки поворачиваются вокруг горизонтальной оси (см. рис. 8.2,6). Электрическое соединение осуществляют с помощью плоских кабелей, объемных проводников и жгутов, расположенных вдоль оси поворота ячеек. При разработке электромонтажа необходимо учесть длины проводников при откидывании.
В этажерочных конструкциях платы с ИС и микросборками собирают в пакет, отделяя друг от друга рамками или втулками, и фиксируют на штырях, установленных перпендикулярно монтажной плоскости. Внутриблочные электрические соединения выполняют с помощью плоских кабелей, жгутового или струнного монтажа, при котором внешние выводы ячеек соединены вертикальными отрезками жестких проводников. Если электромонтаж выполнен с одной стороны, то после обжатия стяжных винтов ячейки откидывают как в книжной конструкции, поворачивая их относительно стороны с электромонтажем.
Рис. 8.12. Блок книжной конструкции с двойным рас-
крывом
227
8‘
8.4. ШКАФЫ, СТОЙКИ И СТЕЛЛАЖИ
Варианты объединении блоков. Для РЭС в приборных корпусах возможна установка блоков друг на друга (рис. 8.13,а), что широко распространено при компоновке рабочего места оператора серийно выпускаемыми электронноизмерительными приборами. В этом случае механическое соединение выполняют с помощью винтов, пластин-накладок, реек и других крепежных элементов. Несмотря на простоту, этот вариант предъявляет жесткие требования к габаритным и установочным размерам объединенных приборов.
Стеллаж представляет собой конструкцию, изготавливаемую из профилированного проката и предназначенную для размещения на ней блоков в приборных корпусах (рис. 8.13,6). Для обеспечения устойчивости РЭС к механическим воздействиям прибегают к общей амортизации стеллажа.
Шкаф является закрытой конструкцией, служащей для размещения блоков и других технических средств и обеспечивающей надежное их крепление и защиту от климатических и механических воздействий. В случае установки блоков в шкафы и стойки (рис. 8.13,в) каждый из вставных блоков не имеет индивидуальных кожухов. Замена индивидуальных кожухов блоков на групповой кожух шкафа способствует повышению компактности РЭС, получению выигрыша по массогабаритным и другим технико-экономическим показателям. Стойка отличается от шкафа отсутствием передней двери.
В большинстве случаев для размещения сложных РЭС используют шкафы и стойки, а стеллажный вариант используют при построении измерительных комплексов и самолетных РЭС.
Компоновочные схемы шкафов. Основные схемы размещения ячеек и блоков в шкафах приведены на рис. 8.14. На выбор компоновочной схемы большое влияние оказывает требуемый масштаб, вид контроля и замены при техническом обслуживании и ремонте РЭС. Наименьший масштаб замены имеет вариант (а),
Рис. 8.13. Объединение блоков с помощью стягивающих винтов (а), стеллажа (б) и стойки (в)
228
Рис. 8.14. Основные компоновочные схемы шкафов РЭС:
1— ячейка; 2 — шкаф; 3 — блок; 4 - каркас блочный; 5 — стойка выдвижная
при котором ячейки устанавливают непосредственно в шкаф. Это оправдано при большом числе однородных ячеек и легком доступе к ним, например в стационарной аппаратуре. При выдвижении блоков (б), построенных на основе частичных
каркасов, одновременно снимают до 20...30 ячеек. Широкое распространение получили блочные каркасы (в), которые могут объединять как непосредственно ячейки, так и блоки. Выдвижение рамы-стойки (г), на которые установлены блочные каркасы, позволит организовать доступ к входящим в нее ячейкам или блокам при включенных РЭС.
Шкафы стационарных РЭС. Шкафы представляют собой универсальносборные конструкции. Схема сборки шкафа стационарных РЭС приведена на рис. 8.15. Механически нагруженной несущей конструкцией шкафа является каркас, собранный из нижнего 3 и верхнего 4 оснований и стоек 9,
Рис. 8.15. Схема сборки шкафа стационарных РЭС:
1—дверь передняя; 2—дверь задняя; 3—основание нижнее; 4— основание верхнее; 5—8 — стойки дверные; 9—стойка рамы; 10 — угольник
229
и
соединенных друг с другом с помощью угольников 10. На каркасе устанавливают панели (обшивку) и навешивают двери 7 и 2 из листовых материалов. Обшивка и двери для повышения жесткости могут быть профилированными, иметь ребра жесткости, а для обеспечения теплового режима — вентиляционные отверстия. Для соединения деталей используют сварные (рис. 8.16,а) или винтовые соединения, а также крепежные узлы и угольники (рис. 8.16,б,в).
К стойкам рамы шкафа болтами крепят блочные каркасы с монтажными плоскостями и ответными частями электрических соединителей. Высоту шкафов определяет число блоков. В некоторых конструкционных системах, например «База-3», блоки устанавливают не в блочные каркасы, а вдвигают в направляющие, установленные на несущих конструкциях шкафа. Пример образования типоразмеров и заполнения шкафов стационарных РЭС в этой системе приведен на рис. 8.17.
При размещении на объекте установки шкафы жестко крепят к рамам или другим металлическим конструкциям с помощью болтов по углам нижнего основания. Шкафы, входящие в комплексы, во многих случаях целесообразно устанавливать на общие силовые рамы, одновременно выполняющие функции групповой защиты от механических воздействий, а при принудительном централизованном охлаждении — и воздуховода. Поскольку масса пустого шкафа достигает 150 кг, на верхнем основании часто устанавливают ушки для захвата при транспортировке.
Электрический монтаж шкафов. В случае наиболее распространенных шкафов с врубным соединением блоков, предполагающим сочленение электрических разъемных соединителей при вдвигании блока, электромонтаж ведут с помощью плоских кабел