Системное представление ЭС

Рассматривая ЭС как некую систему S, припишем аппарату свойства, обычные для каждой системы, а именно: наличие "объектов" Г={g₁g₂…g_m} и "отношений" R={R₁, R₂,… R_n}, связывающих их по определенному принципу П в некоторую систему S для выполнения заданных функций.

Исходя из общих соображений, можно дать определение ЭС. Электронное средство представляет собой систему, состоящую из совокупности объектов (элементов), организованных по определенной структуре с известными параметрами отношений, предназначенную для выполнения заданных функций, реализуемых по принципам электроники.

Очевидно, что принципов, по которым организованны различные ЭС множество и все их не перечислишь. Но два основных можно назвать. Это, во-первых, распространение электромагнитного поля (энергии) в пространстве и, во-вторых, передача сообщения в радиосигнале. В дальнейшем будем специально указывать другие принципы построения ЭС.

Определяя ЭС в виде некоторой системы S, рассмотрим, что представляют собой элементы Г и отношения R в реальной ЭС. В качестве "элементов" системы ЭС выступают:

Г₁ - электрорадиоэлементы (ЭРЭ); например, конденсаторы, резисторы,

            диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и т.д.;

Г₂ - различные детали конструкции; например, платы, корпус блока и т.д.;

Г₃ - соединительные цепи; в их число входят жгуты, разъемы и т.д.

Перейдем теперь к рассмотрению множества отношений между элементами ЭС.

Один из наиболее важных для ЭС видов отношений R элементов Г - отношения взаимодействия. В ЭС существует множество взаимодействий между элементами. Если за основу классификации отношений взаимодействиявзять природу взаимодействия, то можно говорить о физических, химических и других отношениях R в ЭС.

ПРИМЕР 1. Пусть имеем ПП с установленными на ней корпусированными ИС.

Рис. 2.4. ПП с размещенными на ней ИС.

Рассмотрим, какие связи (отношения) между элементами здесь присутствуют.

1) Электрические, магнитные, электромагнитные связи (согласно СхЭ) - R_эл.

2) Возможно "тепловое" влияние элементов друг на друга - R_тепл.

3) Возможно электромагнитное (паразитное) взаимодействие элементов - R_элП.

4) Механическая связь (ИС оказывают давление своей массой на ПП) - R_мех.

5) Существуют пространственные отношения. Элементы располагаются определенным образом на плате - R_простр.

Для задания множества различных свойств элементов g_iÎG, т.е. семейства одномерных (унарных) отношений R₁, вводится совокупность параметров Х_i={X_i1, X_i2, …Xit}, "iÎI=í1,2,…ný.

Из приведенных примеров видно, что в общем случае связи (отношения) являются направленными. Например, тепловая связь между ИС (тепло от более нагретой передается к менее нагретой ИС).

ПРИМЕР 2. Рассмотрим, что из себя представляет одномерное (унарное) -пространственное отношение R_{1 пр} для элемента - корпусированной ИС (рис. 2.5.) с выводами.

 

Рис.2.5. Корпусированная ИС.

В качестве структуры µ_1пр для геометрического (пространственного)- отношения R_1пр выступает форма элемента g - прямоугольный паралелепипед.

Коституэнта Е - это значения размеров ИС: Е={l, b, h, N}, где l - длина ИС, х₁= l =E₁; b - ширина, х₂=b=Е₂; h - высота ИС, х₃=h=E₃, N - число выводов, х₄ = N = Е₄ т.е. (R_1пр={q_{1 пр}, Е₁, Е₂, Е₃}).

ПРИМЕР 3. Корпусированная ИС в общем случае должна быть описана совокупностью унарных отношений R₁={R₁^', R₁^'',… R₁^'n}, где R₁^'=х₁ - объем корпуса; R₁^''=х₂ - масса корпуса; R₁^'''=х₃ - температура ИС; и т.д., т.е. должна быть описана совокупностью параметров Е=х={х₁,х₂,…х_m} со своими частными структурами q по каждому свойству.

Как было установлено ранее, элементы ЭС обладают различными природными свойствами: электрическими, магнитными, электромагнитными, тепловыми, пространственными и др. Рассмотрим ПП с элементами - систему из трех элементов g₁,g₂,g₃ с различными свойствами (рис. 2.6.), объединенных определенными связями R.

Рис.2.6. Система из трех элементов.

 

Ясно, что различные по природе отношения R могут быть условно разделены по характерным признакам и тогда, вместо одной системы S со смешанными связями, можно получить ряд отдельных подсистем со связями одной природы (рис.2.7.): тепловыми, пространственными, электромагнитными. Вместо одной системы (ПП с ИС) получим три ее модели (описания). (вспомни "Введение" и рис 1.2.): 1 - подсистема тепловых связей S_T={Г, R_T}={Г,µ_T,Е_Т}; 2 - подсистема пространственных связей S_пр={Г, R_пр}={Г, µ_пр, Е_пр}; 3 - подсистема электромагнитных связей S_эм={Г, R_эм}={Г,µ_эм, Е_эм}

 

Рис. 2.7. Совокупность подсистем со связями одного вида.

Но, поскольку элементы Г в трех "различных" подсистемах в сущности одни и те же элементы, следовательно между тремя подсистемами S_пр, S_Т, S_эм существуют какие-то связи (отношения) и система S в целом может быть представлена как совокупность взаимодействующих подсистем (рис. 2.8.), т.е.

 

                           S={S_пр, S_T, S_эм,R_s', R_s'', R_s'"}= {S_s, R_s}                       (3) 

 

Рис. 2.8. Новая модель системы S.

Полученные выводы можно распространить на ЭС в целом. Итак, вследствии того, что элементы Г ЭС обладают различными по природе свойствами, то и отношения R между элементами Г будут различными по природе: электромагнитные, тепловые, пространственные. Таким образом, говоря о проектируемой ЭС, можно представить себе совокупность {S_i} различных подсистем S_пр, S_T, S_эм… со своими принципами П_пр, П_т, П_эм, структурами µ_пр, µ_T, µ_эм…, конституэнтами Е_пр, Е_T, Е_эм отличающихся природой связей. Совмещение частных подсистем дает систему S - ЭС (рис.2.12.)

Среди частных подсистем S_s следует выделить те, которые необходимо учитывать при проектировании ЭС.

Электромагнитная подсистема S_эм - это совокупность элементов ЭС, связанных (объединенных) между собой множеством электромагнитных связей, т.е. участвующих в преобразовании (и/или передаче, генерации) электромагнитной энергии с целью реализации основных принципов функционирования ЭС. (Частично моделируется S_эм с помощью схемы электрической принципиальной).

Пространственная (геометрическая, компоновочная) подсистема S_пр - это совокупность элементов конструкции, объединенных множеством пространственных отношений и придающая элементам и конструкции в целом определенные формы, взаимное положение и размеры. (Описывается набором чертежей).

Механическая подсистема S_м - совокупность материальных элементов конструкции, связанных механическими связями и обменивающихся механической энергией при силовом взаимодействии.

Тепловая подсистема S_T - совокупность элементов конструкции, объединенных между собой процессом передачи тепла от элементов-источников тепла, по элементам-проводникам тепла к элементам-приемникам тепла. (Две последние подсистемы специальным образом в комплекте конструкторской документации не описываются).

 

 

Рис.2.9. Системное представление ЭС.

 

Чрезвычайно существенным является наличие связей R_s между подсистемами S_эм, S_T, S_пр, S_м. Причина возникновения связей кроется в том, что основная часть элементов всех подсистем - одни и те же элементы.

Следовательно, вариации значений параметров Х_i', элемента g_i одной физической природы, т.е. изменения внутри одной частной подсистемы, зачастую приводит к изменению значений параметров этого же элемента g_i, но другой физической природы Х_i'', что изменяет параметры соответствующей частной подсистемы S_i. Например, уменьшение размеров конструкций при прочих равных условиях, т.е. изменения значений параметров только пространственной подсистемы S_пр, приводит к изменению значений параметров тепловой подсистемы S_T. А далее к изменению электромагнитной подсистемы. Наличие взаимосвязей между подсистемами порождает следующее свойство системы ЭС: в общем случае, при изменении какой-либо из подсистем S_j, jÎJ или некоторой их совокупности {S_i}, iÎQÌI будет меняться и общая система S. Другими словами, любое локальное изменение в ЭС, будь то изменение схемы, геометрии аппарата и т.д., приведет ко всеобщим изменениям в немПоговорим теперь о задаче проектирования ЭС. Можно представить проектирование ЭС как проектирование системы S, т.е. поиск множества взаимодействующих частных подсистем S₁,S₂, …, S_I и множества связывающих их отношений R_s.
где R_s - семейство отношений между взаимодействующими подсистемами S_пр, S_эм, …, S_T,; R_s= {R_s1, R_s2, …, R_si}.

Представив себе, таким образом, задачу проектирования ЭС, становится очевидной ее чрезвычайная сложность по двум причинам. Во-первых, необходимо проектирование целого ряда частных подсистем S_пр, S_эм, …, S_T. Во-вторых, проектировщику необходимо учесть и множество взаимодействий, отношений R_s= {R_s1, R_s2, …, R_si}, между различными подсистемами, так или иначе определяющих свойства системы S.

В связи с указанными трудностями, вместо одновременного проектирования подсистем S_пр, S_эм, …, S_T ЭС, в практике производят последовательное проектирование подсистем с возвратом. Например, на начальных этапах проектирования - функциональное проектирование S_ф, затем - проектирование электромагнитной подсистемы S_эм и т.д.

Рис. 2.10. Последовательность проектирования ЭС.

Достоинство такого подхода очевидно. Это - упрощение задачи на определенном этапе. Исторический процесс развития радиоэлектроники выделил из множества этапов последовательного проектирования ЭС главный - проектирование электромагнитной подсистемы S_эм ЭС, т.е. упор при проектировании делался на схемотехнический этап. Причины здесь следующие: на первых порах развития радиоэлектроники необходимо было расширить области применения ЭС, необходимо было выяснить принципиальные возможности решения задач, а также удовлетворять возрастающим требованиям к точности, помехозащищенности, дальности действия ЭС и т.п.. Все это давало схемотехническое проектирование. Требования к конструкции были нежесткими, время и затраты на проектирование удовлетворяли общество.

Следствием выбранного варианта реализации процесса проектирования последовательного проектирования подсистем - является возникновение самого этапа проектирования конструкций. Действительно, если под конструкций понимать некоторую материальную систему, то, строго говоря, конструирование ЭС (как процесс) есть проектирование только некоторых, вполне определенных, но различных для разных случаев частных подсистем {S_i}, jÎIÌJ, в отличие от проектирования ЭС, которое представляет собой проектирование полной системы S={S_s, R_s}. Т.е. конструирование ЭС, строго говоря, только один из этапов проектирования ЭС.

При конструировании ЭС наиболее часто требуется создать пространственную S_пр и механическую S_м подсистемы. Как уже говорилось, под пространственной подсистемой S_пр понимается совокупность геометрических отношений R_пр между элементами Г конструкции (элементами Г можно считать электрорадиоэлементы схемы, детали конструкции, соединительные цепи, разъемы и т.п.). Для описания пространственной подсистемы S_пр конструкции в практике используется совокупность конструкторских чертежей. Причем сам чертеж определяет, в основном, структуру µ_пр, а конкретные размеры - значения параметров (размеры и координаты) Е пространственного отношения элементов конструкции.

Ранее было сказано, что под механической подсистемой S_м понимается множество силовых связей R_м между материальными элементами Г, а также между элементами Г и внешней средой.

Конструкция ЭС - это некоторая материальная пространственная система, состоящая из множества элементов, объединенных определенными связями для реализации радиотехнических функций. Конструкция ЭС - обычно объединение, совокупность двух подсистем сложной технической системы - ЭС ("узкое" понимание).

Таким образом под проектированием конструкции ЭС можно понимать проектирование только указанных двух частных подсистем S_пр и S_м. При этом конструктор должен учитывать взаимное влияние не только S_n и S_м, но и других частных подсистем точно так же, как это должны были делать проектировщики на других этапах. Однако указанное требование для конструктора более весомо, чем, к примеру, для схемотехника. И причина здесь - в особенности этапа проектирования конструкции ЭС.

Конструирование - весьма специфический этап процесса проектирования ЭС. Особенность заключается в том, что по окончании этапа появляется опытный образец и конструкторская документация, на основании которой можно изготовить любое число идентичных конструкций. Т.е. процесс проектирования должен быть на этом закончен. Однако именно на этапе конструкторского проектирования приходится "платить" за расчленение единого процесса проектирования ЭС на ряд последовательных этапов (конструктор - "крайний" в череде разработчиков). Накопившиеся ошибки при проектировании всех частных подсистем S_i, отсутствие должного учета всех взаимодействий R_s воочию проявляются после конструкторского этапа. И, поскольку конструкторский этап является завершающим в ходе проектирования, перед конструктором ставится задача максимальной сложности - провести свой этап проектирования так, чтобы полностью учесть уже найденные к этому моменту времени частные подсистемы S_i', например, электромагнитную S_эм, а также не найденные к этому времени S_i'', например, тепловые S_T и паразитных S_n связей. Таким образом, сложность задачи проектирования проявилась на завершающем этапе - при проектировании конструкций ЭС.

Следствием сложности задачи является отсутствие формализованных методов ее решения. Кроме того, при проектировании одной частной подсистемы (что, в основном, и делается на других этапах проектирования) еще можно оценивать качество решения по одному свойству, определяемому именно этой подсистемой. При разработке ряда подсистем (что происходит на завершающем этапе проектирования) необходим учет многих свойств. Практически это означает возникновение противоречивых требований. Следовательно, в качестве критериев оценки различных вариантов решения, во-первых, должны быть использованы характеристики системы S, а не отдельных подсистем S₁,S₂,…, S_k, и, во-вторых, принципиально должно учитываться некоторое множество характеристик.

Свойства процесса проектирования конструкций ЭС можно классифицировать следующим образом:

1) Общее свойство проектирования технических систем: поскольку ЭС - это система, постольку завершить проектирование ЭС можно только после нахождения принципов, элементов, структуры и конституэнт объединяющих их отношений. Т.к. структуру отношений способен спроектировать только человек, значит при проектировании конструкций ЭС в общем случае необходимо творческое начало ("Учить проектированию - значит учить творчеству").

2) Специфические свойства проектирования ЭС: необходимо спроектировать не одну, а несколько различных по физической природе подсистем. Более того, поскольку подсистемы взаимодействуют, а одновременное проектирование множества взаимодействующих подсистем трудно выполнимо, используют последовательное проектирование подсистем с возвратом с целью уменьшения ошибок проектирования.

3) Специфическое свойство проектирования конструкций ЭС: необходим учет множества показателей (свойств) при проектировании, которые отражают наличие множества разрабатываемых подсистем, К={К₁, К₂,…, К_m}.

Завершая рассмотрение, укажем, что комплексный учет при проектировании множества различных по физической природе взаимодействующих явлений (тепловых, электромагнитных и т.д.), происходящих в ЭС, представляет собой одно из проявлений системного подхода к конструированию ЭС.

Подводя итог сказанному, еще раз подчеркнем основную особенность этапа проектирования конструкций ЭС, заключающуюся в системном характере задач этого этапа. Следствиями указанной особенности являются:

- сложность синтеза ряда взаимодействующих подсистем S_s при проектировании конструкций ЭС;

- необходимость оценки результатов проектирования по свойствам, характеризующим всю систему S в целом, а не отдельные подсистемы S₁,S₂,…, S_i, …, S_J;

- принципиальное требование оценки результатов S_k по множеству свойств.

Важным следствием является установление того факта, что проектирование конструкций ЭС, как любой системы, требует определение структуры и параметров системы. В настоящее время принято считать, что поиск структуры, в отличие от поиска параметров- сугубо творческое по характеру действие.

Завершая вводную часть, определим термины "конструирование" и конструкция" ЭС. Конструирование ЭС - это особый вид проектирования, когда объектом действия является конструкция ЭС.

Существует несколько определений понятие "конструкция". Общим в них является следующее. Конструкция- это множество материальных элементов, которые при объединении в единое целое за счет множества различных по своей физической природе связей между ними составляют ЭС.