Тенденции развития конструкций электронных средств и факторы, определяющие их построение
Развитие конструкций ЭС прошло уже четыре этапа. Смена каждого поколения обуславливалась сменой элементной базы, в основном активных компонентов РЭУ и, как следствие, сменой метода и правил компоновки и монтажа.
Первое поколение ЭС базировалось на ламповой технике и блочном методе компоновки и монтажа. Появление отечественных ламп относится к 1919 г. (Нижегородская лаборатория под руководством М.А.Бонч-Бруевича), а начало радиовещания в СССР - к 1924 г.
Ламповая техника непрерывно изменялась: лампы стеклянной и металлической серии, пальчиковые лампы, лампы серии «дробь» и «жёлудь». Блочный метод компоновки и монтажа заключается в выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и коммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочно-жгутовым монтажом.
С усложнением ЭС появились требования крупносерийного производства, дробления конструкций на основе унифицированных функциональных узлов (УФУ). Такими первыми УФУ явились «Элемент-1» на печатном монтаже и лампах типа «дробь». Метод компоновки от блочного перешёл к функционально-узловому.
К 1954 г. появилось II поколения конструкций ЭС – промышленная транзисторная техника (изобретение транзистора относится к 1948 г.). Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы в корпусах ТО-5, а УФУ «Элемент-1» - на УФУ «Элемент-2». Функционально-узловой метод стал доминировать во многих конструкциях ЭС.
В период транзисторной техники возникло новое направление в конструировании ЭС – миниатюризация аппаратуры.
Уменьшились размеры и масса пассивных ЭРЭ, транзисторов и трансформаторов, катушек индуктивности и даже электронно-лучевых трубок.
Функциональные узлы стали выпускаться в виде плоских и объёмных модулей, плоских и этажерочных микромодулей. Однако при сохранении за дискретными ЭРЭ основного конструктивного элемента с частотой отказов λ= 10-6 ч-1 не смогло существенно повлиять на надёжность ЭС, и при всё более увеличающейся их сложности вероятность безотказной работы падала. Это противоречие было разрешено с появлением интегральных микросхем (начало 60-х годов).
Третье поколение ЭС характеризуется применением новой элементной базы – корпусированных ИС широкого применения и миниатюрными ЭРЭ на печатных платах с высокой разрешающей способностью (до 0,3 мм). Микросхемы, по своей функциональной сложности представляющие функциональные узлы, выпускались в те годы в металлических, пластмассовых и металлокерамических корпусах прямоугольной и круглой формы со штыревыми и плоскими выводами.
Число выводов не превышало 15. Микросхемы в количестве 20…30 штук компоновались на печатных платах со средними размерами 140×170мм, выводная коммутация которых осуществлялась стандартными разъёмами. Такая конструкция, наиболее характерная для цифровых устройств, получила название вначале субблока, а позднее – функциональной ячейки.
Ячейки ЭВМ, выполненные по принципу базовых несущих конструкций, называют типовыми элементами замены.
Применение микросхем, изготовление которых основано на групповых методах получения целого набора элементов на подложке или в объёме кристалла, позволяет резко повысить надёжность.
Так, частота отказов одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, равна частоте отказов всего лишь одного дискретного ЭРЭ, т.е. λис= λэрэ=10-6 ч-1.
Таким образом, достижения в области микроэлектроники и её промышленного внедрения позволили перейти к созданию нового поколения конструкций ЭС – к интегральным электронным устройствам. Интегральные электронные устройства отличаются малыми массой и габаритами, высокой надёжностью, пониженным потреблением энергии, меньшей стоимостью, групповой автоматизированной технологией изготовления компонентов и устройств, применением САПР при конструировании и подготовке производства. Интегральные ЭУ проектируются на новых принципах схемотехники – микросхемотехники, в основе которой заложена микроэлектроника.
Далее миниатюризация шла по пути отказов от индивидуальных корпусов ИС и внедрения более крупных подложек вместо печатных плат. Так появилась конструкция ЭС IV поколения, которая использовалась в основном в космической и ракетной технике.
К достоинствам конструкций IV поколения следует отнести уменьшение массы (в 3-4 раза) и объёма (в 5-6 раз) моноблоков, более высокую надёжность за счёт исключения стандартных разъёмов и замены их на гибкие шлейфы, а также сокращения числа паяных соединений (исключение выводов из корпусов), повышение вибро- и ударопрочности.
К недостаткам и трудностям в развитии IV поколения конструкций ЭС относятся повышенная теплонапряжённость в блоках и необходимость введения дополнительных теплоотводов (металлических рамок), незащищённость бескорпусных элементов и компонентов МСБ от факторов внешней среды и необходимость полной герметизации корпусов блоков с созданием инертной газовой среды внутри них, более высокая стоимость за счёт сложного и дефицитного технологического оборудования, более длительные сроки разработки из-за необходимости разработки самих МСБ, как изделий частного применения, недостаточное количество специалистов этого профиля (как инженеров, так и технического персонала).
Однако разработчикам удаётся значительно улучшить не только качественные энергоинформационные параметры ЭС, но и в ряде случаев тактико-технические характеристики объекта.
Появление новой элементной базы (функциональных компонентов, микрокорпусов ИС), новых несущих оснований (печатных плат из новых материалов с высокой разрешающей способностью до 0,1мм и без металлизированных отверстий), новых способов сборки и монтажа (групповой автоматизированной сборки и пайки), новых принципов компоновки устройств из суперкомпонентов (интеграции на целой пластине) привело к созданию ЭС ещё более компактных, надёжных и с меньшей стоимостью, чем известные прототипы.
Конструкции таких устройств, выполненные по принципам монтажа на поверхность и интеграции на целой пластине, можно отнести к пятому поколению.
Основное требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективней своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности (рис. 1).
Рис. 1 Показатели эффективности РЭА
В общем виде эффективность РЭА можно оценить основной целевой функцией:
,
где
;
Такая функция дает количественную оценку степени достижения поставленной цели и поэтому называется целевой функцией. Элементами Zi множества Z являются частные целевые функции, т.е. отдельные качественные и количественные показатели, определяющие пригодность применения РЭА в соответствии с назначением. Такими показателями для РЭА являются: масса, объем, энергопотребление, диапазон частот, быстродействие, чувствительность, коэффициент усиления, полоса пропускания, дальность действия, выходное напряжение, точность, электромагнитная совместимость, ударопрочность, влагостойкость, уровень унификации и миниатюризации, технологичность, безопасность, себестоимость, экономичность и т.д.
Из схемы разработки эффективной РЭА (см. рис. 1.) видно, что конструкция РЭА влияет почти на все показатели и имеет решающее значение, поскольку она должна обеспечивать устойчивое функционирование РЭА с необходимой точностью, надежностью и безопасностью при наличии воздействия со стороны объекта,
От того, насколько совершенны конструкции и методы конструирования, во многом зависит прогресс в радиоэлектронике.
Успешное решение проблемы формализации конструкторской деятельности возможно лишь при ее алгоритмизации и автоматизации с использованием математических методов, теории графов, алгоритмов, математического программирования, использования операций, вычислительных методов и др.
Одна из основных особенностей процесса разработки новых моделей РЭА – переход к системным методам решения задач при проектировании РЭА. Системные методы связаны с понятием «система».
Под системой будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств, частей, подсистем, совместно выполняющих заданные функции, решающих общую задачу в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития и противоречий. При системном подходе изучаемый проектируемый изготовляемый объект рассматривается как система.
Системный подход базируется на рассмотрении изучаемого объекта во взаимосвязи с окружающими объектами. Его задачами являются исследование специфических связей, установление закономерностей, присущих отдельным типам систем, разработка на этой основе определенных методов, их описание и изучение.
Сформулируем основные положения системного подхода:
1. Параметрическое описание, которое является простейшей формой научного анализа. Оно представляет собой исследование любого объекта, которое базируется на эмпирических наблюдениях, описание свойств, признаков и отношений исследуемого объекта к другим.
2.Структурное описание исследуемого объекта, которое выполняют после выявления параметров. Оно предусматривает переход к определению подэлементного строения исследуемого объекта. Основная задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи свойств, признаков, выявленных при параметрическом описании исследуемого объекта.
3. Функциональное описание исследуемого объекта, которое может быть выполнено исходя из функциональных зависимостей между параметрами (функционально – параметрическое описание) или частями объекта (функционально – структурное описание). Специфика состоит в том, что функция части объекта задается на основе характеристики всего объекта.
Использование системного подхода упрощать процесс исследования. Особенность системного похода заключается в новой ориентации всего хода исследования, которое состоит в стремлении построить целостную картину исследуемого объекта.
Системный подход базируется на следующих принципах:
1. При исследовании объекта как системы описания его частей не имеет самостоятельного значения, так как каждая часть объекта описывается не отдельно, а с учетом ее роли во всем объекте.
2. Специфика системного объекта не исчерпывается особенностями составляющих его частей, а связана с характером взаимосвязей между отдельными частями.
3. Один и тот же исследуемый объект выступает как обладающий одновременно разными характеристиками, параметрами, функциями, структурой. Проявлением этого является иерархичность строения систем
4. Исследование системы, как правило, неотделимо от исследования условий ее функционирования.
5. При исследовании сложного объекта учитывается зависимость состояния частей от состояния всей системы.
6. Анализ функциональной характеристики исследуемого объекта может оказаться недостаточным, так как весьма важно установить целесообразность функционирования системы.
Рассмотрим в качестве примера системного объекта проектирование, компоновку РЭА.
Компоновка (от лат. «compono» - составляю) – составление из отдельных частей (компонентов) одного согласованного целого в соответствии с определенным замыслом.
Применительно к радиоэлектронной аппаратуре компоновка – это процесс размещения в пространстве или на плоскости основных элементов конструкции радиоизделия или их моделей с установлением основных геометрических форм и размеров между ними. Компоновка является одной из основных задач разработки конструкции РЭА с целью обеспечения необходимых требований ТЗ.
На выбор компоновочного решения РЭА оказывают влияние ряд факторов, которые могут быть объединены в условные группы, связи между которыми образуют так называемый «треугольник взаимосвязей» (рис.2). Эти связи могут проявляться непосредственно или косвенно.
Первая связь – это прямая информационная связь от индикаторных или звуковых устройств к рецепторному аппарату человека-оператора. Эта связь присутствует как на этапах изготовления и регулировки аппаратуры, так и на этапе эксплуатации.
Вторая (обратная) связь позволяет оператору на тех же этапах воздействовать на аппаратуру с целью обеспечения ее нормальной работы при наличии тех или иных возмущающих факторов.
Рис. 2 Треугольник взаимосвязей
Третья связь выдает оператору данные о существующей обстановке (крен самолета, повышение температуры в автофургоне РЛС и т.п.), воздействуя на его психологическое состояние.
В случае отклонений от норм нормального жизнеобеспечения или полета самолета оператор может непосредственно воспользоваться четвертой связью (включить вентилятор) либо использовать связи 2, 5 (устранить крен самолета с помощью РЭА).
Пятая связь может быть как непосредственной (управление полетом через РЭА), так и косвенной (требование облегченного доступа к РЭА и т.п.). Более сильной связью является шестая, которая накладывает часто весьма жесткие эксплуатационные и габаритновесовые требования к РЭА.
К первой группе факторов («собственно РЭА»), которые нужно учесть при компоновке, относятся:
1. Принципиально – функциональные связи.
2. Энергетическо – весовые и энергетичеко – объемные требования.
3. Требование электромагнитной совместимости и минимальных паразитных связей.
4. Требование обеспечения нормального теплового режима РЭА.
Эта группа факторов предопределяет так называемую «внутреннюю» компоновку РЭА.
Ко второй группе факторов («оператор»), учитываемых при компоновке для обеспечения требований эргономики (согласование параметров оператора с РЭА и объектом), относятся:
1. Количество и качество воспринимаемой информации.
2. Размеры, форма и расположение индикаторных приборов, органов управления и контроля.
3. Форма и цветовая гамма индикаторного пульта.
4. Психофизиологические и антропометрические особенности и параметры оператора.
Эта группа факторов определяет так называемую «внешнюю» компоновку радиоаппаратуры.
К третьей группе факторов («объект») относятся факторы, обусловленные воздействием внешней среды и особенностями условий эксплуатации, а также комплексом ТТТ на объект. Можно отметить главные из них, а именно:
1. Требование функционально – конструктивного расчленения на блоки к их форме, объему, весу, положению центра тяжести.
2. Требования защиты от температуры внешней среды, влаги, механических воздействий, пыли, фонового излучения, биологической среды, пониженного давления и т.п.
3. Требование создания определенного варианта компоновки комплекса РЭА на объекте, т.е. обеспечение заданного размещения конкретных блоков в заданных местах и объемах.
Эта группа факторов влияет как на разработку «внутренней», так и «внешней» компоновки РЭА.
Таким образом, компоновка РЭА рассмотрена с учетом системных факторов, определяющих построение электронных средств.