ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Пензенский государственный университет»
________________________________________________________________
П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова
Основы проектирования электронных средств
Учебное пособие
ПЕНЗА
Издательство
Пензенского государственного
университета
УДК 621.396.6.001.2
А65
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Информационные технологии и системы»
ГОУВПО «Пензенская государственная технологическая академия»
доктор технических наук, генеральный директор ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов»
В. Г. Недорезов
А65 Андреев, П. Г.
Основы проектирования электронных средств: учеб. пособие / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 147 с.
Изложены основные подходы к определению процесса проектирования, рассмотрен системный подход при проектировании электронных средств. Большое внимание уделено факторам, влияющим на конструкцию РЭС, условиям эксплуатации, описанию базовых несущих конструкций и задачам синтеза и анализа при проектировании электронных средств. Достаточно подробно изложены основные задачи планирования эксперимента.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и предназначено для студентов специальностей радиоэлектронного профиля.
УДК 621.396.6.001.2
© Андреев П. Г., Наумова И. Ю., 2009
© Издательство Пензенского
государственного университета, 2009
Содержание
| Введение | |
| Раздел 1 Общие вопросы проектирования ЭС | |
| Глава 1 Основные понятия и определения | |
| Глава 2Анализ процесса проектирования | |
| Глава 3 Этапы разработки ЭС | |
| Глава 4 Конструкторская документация | |
| Раздел 2 Системные методы в проектировании ЭС | |
| Глава 5 Системный подход при проектировании ЭС | |
| Глава 6 Конструкция ЭС как большая система | |
| Раздел 3 Методы проектирования ЭС | |
| Глава 7 Синтез и анализ при проектировании ЭС | |
| Глава 8 Планирование эксперимента | |
| Заключение | |
| Библиографический список |
Введение
Целью изучения дисциплины «Основы проектирования электронных средств (ЭС)» является подготовка студентов к проектированию ЭС: ознакомление с системным подходом к их разработке. Дисциплина дает представление о методологии проектирования ЭС с широким использованием систем автоматизированного проектирования (САПР).
Предмет изучения дисциплины –методология («стратегия») проектирования, определяющая проектирование как процесс и продукт.
Задачи изучения дисциплины: изучение ЭС как большой технической системы, системного подхода как методологической основы проектирования конструкций и технологий радиоэлектронных средств (РЭС), нормативной базы проектирования, стандартов, документооборота, элементной и конструктивной базы.
Цель: подготовка студента к самостоятельной работе в области проектирования ЭС на базе автоматизированных систем с учётом действия нормативных документов, воздействия объекта установки, внутренних и внешних дестабилизирующих факторов.
Изложенное можно представить рисунком 1.
Рисунок 1 – Предмет, задачи и цель изучения дисциплины
Изучение методологии проектирования, конструкторского проектирования с применением ЭВМ является важнейшим в системе подготовки ИНЖЕНЕРА по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».
Учебное пособие содержит разделы по основным вопросам дисциплины «Основы проектирования электронных средств». Разделы состоят из глав, в которых дается подробное описание вопроса проектирования.
Учебное пособие написано на основе лекций, которые авторы в течение ряда лет читают по дисциплине «Основы проектирования электронных средств».
Раздел 1 Общие вопросы проектирования ЭС
Глава 1 Основные понятия и определения
Понятие ЭС. Определение процесса проектирования. Основные направления исторического развития ЭС. Области применения радиоэлектроники. Связь радиоэлектроники с другими областями науки и техники.
Определение ЭС
Электронное средство – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы преобразования электромагнитной энергии.
Под термином «электронная аппаратура» подразумевается любой тип радиоэлектронной, электронно-вычислительной и управляющей аппаратуры, построенной с использованием микроэлектронной элементной базы [3].
В современной учебной и научно-технической литературе широко применяются термины «радиоэлектронная аппаратура (РЭА)», «компьютер», «электронная вычислительная машина – ЭВМ», «электронно-вычислительная аппаратура – ЭВА», «электронно-вычислительные средства – ЭВС», «радиоэлектронные средства – РЭС», «биомедицинская аппаратура» и др. Принципиальных различий между этими терминами с точки зрения конструкторско-технологического проектирования нет. Поэтому можно использовать термин «электронные средства – ЭС».
В состав электронных средств входят и радиоэлектронные средства и радиоэлектронная аппаратура.
РЭС – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники (ГОСТ 26632–85). Примеры РЭС: радиоприемник, телевизор, магнитофон, радиопередатчик, радиолокационная станция, радиоизмерительные приборы.
РЭА – совокупность технических средств, используемых для передачи, приема и (или) преобразования информации с помощью электромагнитной энергии (ГОСТ Р 52907–2008).
С кибернетической точки зрения ЭС (РЭС) можно представить в виде «черного ящика» (рисунок 2), имеющего 
– выходные параметры (например, для приемника это – выходная мощность, диапазон частот, чувствительность, масса, габаритные размеры, стоимость, показатели надежности), в общем случае это основные свойства РЭС; 
– первичные параметры (параметры элементов РЭС: величины сопротивлений резисторов, параметры транзисторов, микропроцессоров, конденсаторов, масса электрорадиоэлементов – ЭРЭ, их габаритные размеры), влияющие на выходные параметры; 
– входные параметры (например, уровень входного сигнала, напряжение питания); 
– параметры внешних воздействий (температура, влажность, параметры механических воздействий, колебания напряжения в сети).
Рисунок 2 – Кибернетическая модель ЭС «черный ящик»
Такое представление ЭС дает возможность установить связь между выходными и входными параметрами, внешними воздействиями в виде «функции связи»:
, (1.1)
где j = 1, 2,..., n; i = 1, 2,..., m, f = 1, 2,..., l, h = 1, 2,..., k.
Процесс проектирования
Сложность задачи нахождения вида уравнения (1) приводит к множеству частных подходов к проектированию ЭС.
Что такое проектирование? Это:
– «целенаправленная деятельность по решению задач» (Л. Б. Арчер);
– «принятие решений в условиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки!» (А. Азимов);
– «оптимальное удовлетворение суммы истинных потребностей при определенном комплексе условий» (Е. Мэтчетт);
– «вдохновенный прыжок от фактов настоящего к возможностям будущего» (Дж. К. Пейдж).
Создается впечатление, что имеется столько же различных процессов проектирования, сколько существует авторов, описывающих этот процесс.
Однако процесс проектирования один, что бы мы ни проектировали (самолет, танк, ЭС). А характер проектирования меняется от обстоятельств (разработка чертежей, вынашивание идеи конструкции).
Общее определение проектирования дает Дж. К. Джонс, исходя из результатов проектирования.
«Цель проектирования – положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде» [15]. В результате создается РЭС – сложный объект, который связан с существующей средой, зависит от нее, влияет на нее (рисунок 3).
Рисунок 3 – Цель проектирования
Проектирование ЭС следует рассматривать в двух аспектах: как процесс составления описания будущего изделия и как конечный продукт (изделие) (рисунок 4).
Рисунок 4 – Подходы к проектированию
Первый подход – проектирование как процесс составления описания будущего изделия, т. е. совокупность действий, выполняемых проектировщиками (деятельность проектировщиков как таковых). В этом случае результатом проектирования является не сам материальный объект, а его модель. Эта практическая модель объекта указывает, что именно, в каком количестве, в какой последовательности и каким образом должно быть взято и сделано, чтобы получить материальный технический объект.
Второй подход – проектирование как продукт этих действий, т. е. материальный технический объект, представленный либо в виде проекта, либо в виде макетов, образцов или готового изделия.
Основные направления исторического развития ЭС
История проектирования РЭС начинается с 1895 г., состоит из девяти основных этапов и связана с возникновением главных проблем конструкторского проектирования: снижения стоимости, повышения надежности, комплексной микроминиатюризации РЭС. Историю развития конструкций ЭС следует анализировать, опираясь не только на усложнение конструкций, появление новых свойств, но и на взаимосвязь конструирования РЭС со схемотехникой, технологией, эксплуатацией.
Проектирование РЭС началось одновременно с развитием радиотехники [16].
7 мая 1895 г. в Петербурге на заседании Русского физико-химического общества профессор А. С. Попов продемонстрировал работу устройства для приема электромагнитных волн. Внешний вид приемника с электрическим звонком и схема приемника А. С. Попова показаны на рисунке 5.
а) б)
Рисунок 5 – Приемник А. С. Попова:
а) внешний вид приемника с электрическим звонком, б) схема приемника
В 1906 г. американский инженер Ли Де Форест изобрел трехэлектродную лампу (триод), положив начало развитию научных основ и принципов построения электронных приборов (рисунок 6).
Рисунок 6 – Первые электронные лампы с сеткой Ли де Фореста
В 1907 г. английский инженер Х. Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение, что положило начало разработке и созданию светодиодов.
Рождением радиоэлектроники можно считать 1913 г., когда немецкий ученый Мейснер нашел способ генерирования электромагнитных колебаний с помощью триода.
В 1922 г. во время своих ночных радиовахт 18-летний радиолюбитель Олег Владимирович Лосев обнаружил свечение кристаллического детектора, не ограничился констатацией факта, попытался найти ему практическое применение и перешел к оригинальным экспериментам. Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безыинертный источник света.
Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в 60-е г. г. прошлого века. Большой вклад в работу по исследованию физических процессов в области совершенствования светодиодов внес российский ученый Ж. И. Алфёров (1970 г.), получивший в 2000 г. Нобелевскую премию.
Радиоэлектронный аппарат начала ХХ в. представлял собой деревянный ящик (рисунок 5 а), на стенках которого с внешней стороны расположены основные детали: лампы, катушки индуктивности, проволочные резисторы, а с внутренней стороны был выполнен монтаж голым проводом. Соединение выполнялось резьбовыми деталями (болт, гайка).
Первый этап истории конструирования РЭА связан с появлением в 20-х г. г. нового конструкторского решения: в ящике устанавливали горизонтальный деревянный щит – несущую панель, на ней размещали детали, а на эбонитовой передней панели располагали только ручки управления. Такое решение было связано с тем, что именно в этот период РЭА из объекта исследования инженера-профессионала и радиолюбителя превратилась в предмет массового использования. Потребителя интересовало включение, настройка на нужную станцию, выключение приемника и его внешний вид.
Уже на первом этапе истории конструирования РЭА проявилась взаимосвязь конструкторского решения (конструкции) с «человеком-оператором» и возникла необходимость учитывать эксплуатационные требования: удобство эксплуатации и требования эстетики.
Производство РЭА этого периода было предельно просто: несколько деталей любых размеров, форм и типов соединялись друг с другом, подключались к питанию и регулировались до тех пор, пока не начинали работать нормально.
Опыт конструирования основывался на традициях телеграфной и электротехнической аппаратуры.
Второй исторический этап связан с появлением в 1924 г. лампы с экранирующей сеткой, а в 1928 г. – трехсеточной лампы – пентода. Функциональное усложнение аппаратуры (увеличение коэффициента усиления, увеличение количества каскадов) привело к необходимости экранирования. Вначале деревянные части облицовывались металлической фольгой с помощью гвоздей и клея, а позднее для сочетания конструктивных требований и требований экранирования стали применять шасси из листовой латуни и межкаскадное экранирование. В дальнейшем латунь заменили медью и алюминием и ввели экранирование катушек индуктивности каскадов усиления высокой и промежуточной частоты, что применяется до сих пор.
РЭА на этом этапе представляла металлическое коробчатое шасси (позднее стальное с защитой от коррозии) с расположенным внизу монтажом и металлической передней панелью.
Третий этап истории конструирования РЭА связан с введением в 30-х г. г. стандартных панелей, шириной 482 мм и высотой, кратной 43-м мм, что позволило снизить стоимость стандартных каркасов-стоек, шкафов, специальных деталей для них. Это было начало внедрения стандартизации в радиоаппаратостроение, установления взаимосвязи между конструкторским решением и производственным процессом. Внедрение нового технологического процесса привело к замене резьбовых соединений элементов монтажа пайкой. Размеры контактного узла уменьшились, появилась возможность ближе располагать элементы, но увеличились нежелательные электрические и электромагнитные связи внутри РЭА, возник вопрос о влиянии геометрических размеров РЭА на работоспособность устройства.
Четвертый этап истории конструирования РЭА, конец 30-х г. г., характеризуется расширением областей использования РЭА. Она применяется в полевых условиях (рисунок 7), её устанавливают на борту самолета, на кораблях, автомашинах.
Появилась носимая аппаратура, и возникла проблема уменьшения габаритных размеров и массы РЭА. Применение более плотного монтажа привело к возникновению паразитных электромагнитных связей. Необходимо было решить задачу обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА.
Использование РЭА в полевых условиях поставило задачу влагозащиты и защиты от влияния климатических воздействий, а использование РЭА на автомашинах, самолетах, кораблях – задачу защиты от механических воздействий. Вопрос герметизации РЭА выдвинул задачу обеспечения отвода тепла.
Рисунок 7 – РЭА в полевых условиях
Но самым главным было признано то, что надежность аппаратуры имеет первостепенное значение. Аппаратура стала разрабатываться применительно к объекту установки. Конструкторское решение стало зависеть от условий эксплуатации, особенностей «человека-оператора».
Пятый этап истории конструирования связан с появлением в 40-х г. г печатного монтажа и методов автоматической сборки. Печатный монтаж резко сократил размеры изделия, позволил эффективно применять малогабаритные стандартные детали, применить автоматизированную пайку. Однако при увеличении плотности монтажа возникла проблема отвода тепла. Применение миниатюрных пассивных элементов при использовании мощных ламп сводит на нет идею миниатюризации.
В РЭА до конца 40-х г. г. использовались в качестве активного элемента электронно-вакуумные лампы. Эта аппаратура относится к I-му поколению. Термин «поколение» был введен для ЭВМ, но в дальнейшем распространился на все разновидности ЭС.
Шестой этап развития конструкций РЭА начинается с появлением в 1948 г. транзистора, разработанного американскими физиками В. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардиным. Применение транзисторов позволило значительно улучшить некоторые характеристики РЭА, особенно в части надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров. В 50-х г. г начинается бурное развитие электронно-вычислительной техники.
Аппаратура этого периода относится ко II-му поколению. Для РЭА II-го поколения основной конструктивной единицей является модуль. В качестве модулей применяются сборки на печатных платах с корпусными транзисторами и дискретными навесными элементами, а также сборки из микромодулей этажерочного (рисунок 8) и плоского типа. Блоки по-прежнему соединяются жгутами, кабелями, штыревыми и штепсельными разъемами.
Рисунок 8 – Печатная плата со сборками из микромодулей этажерочного типа
Седьмой этап истории конструирования РЭА характеризуется разработкой аппаратуры, способной выдерживать критические условия окружающей среды. РЭА конца 60-х г. г. устанавливается на ракеты, искусственные спутники Земли (ИСЗ), управляемые снаряды, космические корабли. Резко возрастает сложность устройств в связи с усложнением функций, выполняемых аппаратурой, – с одной стороны.. С другой стороны – расширение областей использования РЭА повышает требования к массе, габаритным размерам, надежности, стоимости. Эти противоречия привели к возникновению задач, которые назвали проблемой комплексной микроминиатюризации.
После появления в 1958 г. интегральной микросхемы стала разрабатываться РЭА III-го поколения. Основы РЭА III-го поколения составляют интегральные микросхемы (ИМС). Они содержат до 10 – 40 эквивалентных элементов и представляют собой функциональный узел (триггер, формирователь сигналов, усилитель и т. п.), размещенный в индивидуальном корпусе. Размещение ИМС осуществляется на общей печатной плате (однослойной или многослойной) (рисунок 9).
Рисунок 9 – Печатная плата с микросхемами
Для этого периода характерны коренные изменения в построении конструкций. Стали применяться новые методы конструирования, основанные на использовании новейшей технологии. Широкое распространение получил функционально-узловой метод конструирования с унификацией размеров функциональных узлов, блоков (рисунок 10).
Рисунок 10 – Функциональный узел
Появление в 1960 г. лазера (открытие советских ученых Басова и Прохорова) привело к развитию оптической связи.
Восьмой этап развития конструкций РЭА (70-е г. г. прошлого века) характеризуется усложнением РЭА. Аппаратура IV-го поколения содержит большие интегральные схемы (БИС), большие гибридные ИС (БГИС). На этом этапе остро стоит проблема комплексной микроминиатюризации, связанная с разработкой малогабаритных электрорадиоэлементов (ЭРЭ).
Дальнейшее усложнение РЭС связано с внедрением радиоэлектроники в различные области деятельности человека (в частности, разработкой биомедицинской аппаратуры).
Девятый этап (середина 80-х г г.) – развитие РЭС V-го поколения, в которых применяются приборы функциональной электроники.
Приборы функциональной электроники выполнены на средах с распределенными параметрами. В таких средах в нужный момент под воздействием управляющего сигнала возникают динамические неоднородности. Эти неоднородности управляют прохождением сигнала. Использование приборов функциональной микроэлектроники эквивалентно резкому возрастанию степени интеграции по сравнению с обычными ИМС.
К приборам функциональной электроники относятся, например, пьезокерамические фильтры, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах, микропроцессоры.
Области применения радиоэлектроники
В настоящее время РЭС используются для радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиоуправления, радиотелеметрии, радиоизмерений, радиоастрономии, радиометеорологии, радиоразведки. РЭС применяются также в промышленности, медицине, в научных лабораториях, на транспорте, в быту [30].
Радио, оптическая и проводная связь – прием, передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи.
Аппаратура должна обеспечивать многоканальность, беспоисковое вхождение в связь, помехозащищенность.
Радиовещание и телевидение – передача речевых, музыкальных или развлекательных сообщений большим группам людей.
Аппаратура должна обеспечивать достаточную дальность действий, необходимое количество каналов и высокое качество воспроизведения сигналов (моно-, стерео- или квадрофоническое – для акустических, черно-белое, цветное и объемное – для визуальных).
Радионавигация – вождение самолетов и кораблей (в том числе и космических кораблей) с помощью радиосредств.
Аппаратура требует высокой точности.
Радиолокация – обнаружение, опознавание и определение координат и параметров движения различных движущихся и неподвижных объектов.
Аппаратура должна обеспечивать точность и достоверность работы в условиях помех.
Радиоуправление – управление с помощью радиосигналов различными объектами и процессами.
Аппаратура должна обеспечить простоту, точность и скрытность управления.
Радиолокация и радиоуправление могут быть частными случаями радионавигации.
Радиотелеметрия – частный случай радиосвязи – передача телеметрической информации, то есть информации о различных процессах и явлениях, протекающих на удаленных от места приема объектах (самолетах, ракетах, космических кораблях).
Аппаратура должна обеспечивать точность, быстродействие и часто быть малогабаритной и экономичной.
Радиоастрономия – получение информации о космических объектах.
Аппаратура должна обеспечивать наивысшую чувствительность и широкополосность, так как ими определяется количество получаемой информации. В астрономии используется и радиолокация.
Радиометеорология – получение информации о состоянии погоды в различных местах Земли.
Аппаратура должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоданных.
Радиоразведка – военная разведка с помощью радиосредств, в частности разведка данных о радиосредствах противника (о местах их расположения и параметрах излучаемых сигналов).
Геологоразведка – разведка с помощью радиосредств месторождений полезных ископаемых.
Радиопротиводействие – применение радиосредств для создания помех нормальному функционированию радиосредств противника.
Радиоизмерение – измерение с помощью радиосредств радиотехнических параметров радиосигналов (напряженности поля, мощности, частоты, фазы, глубины модуляции).
Аппаратура должна обеспечивать требуемую точность, стабильность, уровень и быстродействие, минимальное влияние на параметр контролируемой цены.
Промышленная радиоэлектроника – применение ЭС в промышленности, на транспорте. Это и использование телевидения для диспетчерской службы на заводах и железнодорожных станциях, а также для наблюдения за трудно доступными человеку явлениями и процессами (например, процессами, протекающими при высоких температурах или на больших глубинах), применение высокочастотного излучения для закалки стали и сушки древесины, устройства обработки данных в АСУ, цех-автомат.
Аппаратура должна обеспечивать требуемое качество и простоту управления, высокую надежность и бесшумность работы.
Медицинская радиоэлектроника – использование методов и средств радиоэлектроники для создания излучения, обладающего целебными свойствами при лечении заболеваний, получение с помощью радиосредств информации о различных биологических процессах, «бесшовная хирургия».
Аппаратура должна обеспечивать высокую эффективность при минимальном нежелательном воздействии на организм, быть простой в обслуживании, часто быть сверхминиатюрной.
Радиоэлектроника для научных исследований – использование радиосредств для получения информации о технологических процессах, для исследования космического пространства, внутриядерных и молекулярных процессов, биологических исследований; создание излучения для воздействия на исследуемые материалы, объекты, устройств записи и воспроизведения сигналов: акустических, визуальных на различных носителях.
Аппаратура должна обеспечивать избирательное энергетическое воздействие в соответствии с назначением, быть миниатюрной.
