Тема 1.2 Классификация электронных средств

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

дисциплины

Основы конструирования электронных средств

Индекс по учебному плану: Б1.Б.18

Направление подготовки: 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»

Квалификация: бакалавр

Профиль подготовки:

Конструирование радиоэлектронных средств

Проектирование и технология радиоэлектронных средств

Виды профессиональной деятельности: научно-исследовательская,

Проектно-конструкторская

 

 

Казань

Й семестр

Лекция 1

Раздел 1. Классификация электронных средств и их сруктура

Тема 1.1 Введение

           

В процессе изучения дисциплины студент должен ознакомиться с системой стандартизации в области конструирования, руководящими стандартами и нормативно-справочными документами, необходимыми для качественной разработки и оформления конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД.

Основные задачи дисциплины – обучение студентов современным методам построения ЭС на основе микроэлектронной элементной базы и применения технологии поверхностного монтажа с учетом условий их эксплуатации при воздействии различных факторов окружающей среды, методам конструктивных расчетов и обеспечения надежности ЭС, а также приемам защиты ЭС от помех, климатических, механических, радиационных воздействий и тепловых нагрузок.

После завершения изучения дисциплины студент должен уметь:

- составлять техническое задание на проектирование ЭС;

- проводить на ранних этапах создания ЭС проектно-конструкторские оценки параметров и свойств конструкций в условиях эксплуатации, отработку надёжности и качества функционирования радиоэлектронных устройств и узлов;

- выбирать элементную базу для построения узлов и блоков ЭС;

- в соответствии с правилами художественного конструирования и технической эстетики определять конфигурацию ЭС и внешнее оформление, удовлетворяющее требованиям условий эксплуатации и эргономики;

- разрабатывать конструкцию комплексов и устройств и оформлять конструкторскую документацию на них.

Рассмотрим основные определения и терминологию, используемую в настоящее время.

Электронные средства включают в себя радиоэлектронные средства и электронно-вычислительные средства.

Под радиоэлектронным средством (РЭС) понимают изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники.

Радиотехника – область науки и техники, связанная с генерацией, излучением, приемом и преобразованием радиоволн.

Электроника – область науки и техники, связанная с излучением и использованием взаимодействия электронов с электромагнитными полями.

В радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) прием, обработка, хранение и передача информации осуществляется методами радиотехники и электроники. Включение в состав радиоэлектронной аппаратуры различных электромеханических исполнительных устройств, систем питания, теплоотвода и контроля привело к понятию «радиоэлектронное средство». Термин РЭС введен ГОСТ 26632-85.

Конструкция ЭС – это пространственно-организованная совокупность компонентов, изделий электротехники, материалов несущих конструкций, между которыми существуют электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, электромагнитные и другие связи, обеспечивающая заданные преобразования сигналов при наличии взаимного воздействия и воздействия внешней среды [1].

Конструирование ЭС – это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей элементов и связи с окружающей средой и объектами, выбора материалов этих элементов и их обработки и установления на них таких норм, пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям.

Результатом конструирования является комплект конструкторской документации (КД). Конструирование является частью общего процесса проектирования или разработки изделия, содержащего такие взаимосвязанные этапы, как разработка структурной и принципиальной электрических схем, собственно конструирование, разработка технологии изготовления, внедрение изделия в производство и эксплуатацию.

Конструирование как инженерная деятельность – процесс поиска, нахождения и отражения в КД формы, размеров и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления – с целью обеспечить производство изделия с заданными свойствами при наименьшей трудоемкости изготовления.

Конструкторской документацией называют совокупность документов, содержащих (в зависимости от их назначения) данные, 9 необходимые для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации и ремонта изделия. К конструкторской документации относятся графические (чертежи, схемы) и текстовые (спецификации, пояснительные записки, паспорта, инструкции по эксплуатации и др.) документы. Конструкторская документация разрабатывается и оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД – единой системы конструкторской документации.

Конструкторская иерархия: конструкция ЭС характеризуется иерархической структурой (от греч. «священная власть», т.е. соподчинение), под которой понимается последовательное объединение более простых электронных узлов и элементов несущих конструкций в более сложные. Конструкторская иерархия реализуется с помощью уровней разукрупнения ЭС, габаритные размеры которых стандартизованы.

По конструктивной сложности различают следующие уровни разукрупнения ЭС: шкаф, блок, ячейка.

Если устройства являются не только конструктивно, но и функционально законченными, то они называются модулями. Под модулем понимается составная часть аппаратуры, выполняющая в конструкции подчиненные функции, имеющая законченное функциональное и конструктивное оформление и снабженная элементами коммутации и механического соединения с подобными модулями и с модулями низшего уровня в изделии.

При разработке несложной аппаратуры модули высшего уровня (шкафы, стойки) отсутствуют.

Различают следующие уровни разукрупнения ЭС в модульном исполнении:

- радиоэлектронный модуль третьего уровня (РЭМ 3) – функционально законченный шкаф, пульт, стойка, выполненные на основе базовых несущих конструкций (БНК) третьего уровня и обладающие свойствами взаимозаменяемости;

- модуль второго уровня – блок или рама (РЭМ 2);

- модуль первого уровня (РЭМ 1) – ячейка, плата;

- модуль нулевого уровня (РЭМ 0) – электрорадиоэлементы (ЭРЭ), интегральные схемы (ИС), которые конструктивно совместимы с РЭМ 1 и не имеют самостоятельного назначения.

Такое деление ЭС на модули дало развитие направлению модульного принципа конструирования.

Конструктив ЭС – это типовая разновидность конструкции того или иного уровня сложности аппаратуры, определяемая характерной элементной базой и способом компоновки.

Примеры конструктивов:

- ФЯ III или IV поколения;

- бескорпусная микросборка (МСБ);

- блок МЭА IV поколения.

Микросборка – микроэлектронное изделие типа ГИС или БГИС, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов и бескорпусных ИС и других радиоэлементов в различных сочетаниях, разрабатываемое и изготовляемое разработчиками конкретных РЭС для улучшения их показателей микро- миниатюризации.

Элемент МСБ – неделимая часть МСБ, которую нельзя специфицировать и поставлять как отдельное изделие (пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности).

Компонент МСБ – часть МСБ, которая специфицируется и поставляется как отдельное изделие (бескорпусные транзисторы, ИС, диоды, резисторы, конденсаторы).

Поверхностно-монтируемые компоненты (компоненты для монтажа на поверхность) – специально разработанная конструкция компонентов, отличающаяся существенно уменьшенными размерами корпусов, устанавливаемых на контактные площадки при помощи облуженных торцов компонентов (резисторы и конденсаторы) или укороченных выводов в форме «крыла чайки» или J-образных (диоды, транзисторы, микросхемы). В настоящее время данные компоненты составляют более 60% всех выпускаемых электронных компонентов в мире, а доля радиоэлектронных узлов с их применением – свыше 80%. Без их использования невозможно добиться того высокого уровня миниатюризации, который присущ средствам мобильной связи, аудио- и видеозаписывающей аппаратуре, вычислительной технике и т.д.

Процесс конструирования предусматривает дальнейшее материальное воплощение проектируемого изделия посредством его изготовления, базирующегося на современных технологиях.

Технология – это совокупность способов обработки и оборудования, применяемых 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 минимально вредном воздействии на окружающую среду или рабочего.

Проектирование (в самом общем виде) – создание еще не существующего объекта на основе первичного описания или задания на проектирование, то есть сведений о назначении параметров, особенностях работы.

Конструирование является частью общего процесса проектирования или разработки изделия, содержащего такие взаимосвязанные этапы, как разработка структурной и принципиальной электрических схем, собственно конструирование, разработка технологии изготовления, внедрение изделия в производство и эксплуатацию.

Теория и практика разработки сложных и многофункциональных РЭС характеризуется глубокой специализацией деятельности всех участвующих в разработке, а именно: разработчиков системного профиля, инженеров-схемотехников, конструкторов и технологов. Это приводит к исчерпанию возможностей развития в сложившихся рамках последовательного и раздельного (или взаимосвязанного) выполнения этапов разработки (НИР – ОКР – производство – эксплуатация).

В этом случае резервы комплекса «система – схема – конструкция – технология – эксплуатация» используются лишь за счет оптимизации локальных технических, технологических и эксплуатационных решений.

Одно из слабых мест цепочки «система – схема – конструкция – технология – эксплуатация» – определение первоначального облика РЭС и вопросы отработки РЭА на технологичность.

Следует производить отработку ЭС на технологичность на каждом из уровней проработки: системы – схемы – конструкции.

Последовательность создания ЭС может быть представлена в виде схемы, отражающей как деятельность коллективов и организаций (КБ, НИИ, предприятий), так и результат этой деятельности в виде изготовленных образцов изделий и макетов и их различных моделей (физических, математических).

Таким образом, проектирование ЭС предполагает многостадийность и поэтапность с элементами обратной связи, синтез достаточно большого количества возможных реализаций моделей и конкретных конструкций, выбор из всего множества возможных решений наиболее приемлемых с использованием критериев предпочтения, элементов теории оптимизации, функционально-стоимостного анализа, экспертных оценок и т.д.

 

Лекция 2

Тема 1.2 Классификация электронных средств

 

       В основе классификации ЭС лежит сходство в конструкторской реализации однотипных изделий. Возможны разные подходы к классификации (выбор количества и видов классифицирующих признаков, их ранжирование и т.д.). Лучшей будет считаться классификация, которая при минимальном количестве классифицирующих признаков позволяет получить максимум информации.

Все многообразие конструкций ЭС и вытекающие из этого особенности их проектирования определяются в основном следующим:

- схемотехническим назначением;

- функциональной сложностью;

- областью использования (объектом – носителем);

- климатическим исполнением;

- используемой элементной базой;

- используемой конструктивной базой;

- диапазоном частот и мощностей сигналов;

- типом производства (единичное, серийное, массовое).

 

Классификация ЭС по схемотехническому назначению

Можно выделить следующие области схемотехнического функционального) назначения ЭС:

- радио, оптическая и проводная связь;

- радиовещание и телевидение;

- радиоуправление;

- радиотелеметрия;

- радиометеорология;

- устройства обработки данных;

- вычислительные устройства;

- управляющие устройства;

- радиолокация;

- радионавигация;

- радиоастрономия;

- медицинская радиоэлектроника;

- радиоизмерения;

- устройства записи и воспроизведения.

Для каждой из областей схемотехнического назначения ЭС можно определить набор характеристик, оказывающих существенное влияние как на схемотехническое построение, так и на возможное конструктивное исполнение. Так, прием, регистрация и обработка информации в радиоастрономии характеризуются очень широким спектром частот, чрезвычайно низким уровнем сигнала. Это требует применения широкополосных усилителей с высоким коэффициентом усиления, тщательности отработки конструкции по вопросам экранировки и электромагнитной совместимости.

 

Классификация ЭС по функциональной сложности

Функциональная сложность определяется числом и рангом функций, выполняемых изделием. По функциональной сложности деление ЭС может быть представлено в виде следующей цепочки (сверху вниз): радиотехническая система – комплекс радиоэлектронных устройств – радиоэлектронное устройство – блок – субблок – функциональный узел.

Радиотехническая система представляет собой совокупность сигналов в пространстве, операторов и радиоэлектронных средств, размещенных на объектах в определенных точках на поверхности или в пространстве, действующих в условиях помех и внешних возмущений. Примерами таких систем являются система космической радиосвязи, система посадки самолета.

Комплекс радиоэлектронных устройств – совокупность РЭУ, объединенных, как правило, на одном объекте и являющихся законченной частью системы (например, наземный и бортовой комплексы радиосвязи самолета с землей).

Радиоэлектронное устройство (РЭУ) – часть комплекса, которая решает конкретную основную целевую функцию, функционально и конструктивно законченная и, главное, автономно эксплуатируемая (например, радиоприемник в составе радиостанции, выполненный в виде отдельного конструктива).

Блок – часть РЭУ, выполняющая частную целевую функцию, функционально законченная, но автономно не эксплуатируемая (например, блок усилителя в составе передатчика).

Субблок – часть блока, выполняющая функцию его отдельного тракта (например, субмодуль радиоканала в телевизионном приемнике).

Функциональный узел – единица функциональной сложности РЭС на уровне отдельного каскада электрической схемы (например, узел выборки-хранения сигнала, узел код-аналогового преобразователя).

Лекция 3