При разработке и производстве ЭУ широко применяют ограничение, типизацию, унификацию и агрегатирование.
Ограничение заключается в отборе из существующей совокупности номенклатуры покупных комплектующих изделий, материалов, элементов конструкции, основных параметров изделий и др., разрешенных для применения в данной отрасли, на данном предприятии или в каком-либо изделии.
Важная роль в ограничении номенклатуры составных частей изделия принадлежит разработчику ЭУ, который может осуществлять его на каждом этапе разработки. Так, например, при разработке принципиальной схемы следует внимательно изучить возможность максимального ограничения типов и номиналов ЭРЭ. Если в схеме есть резисторы с близкими расчетными значениями сопротивлении — нельзя ли для них принять одно номинальное значение. Если есть RС-цепи — нельзя ли применить в них одинаковые конденсаторы. Этот метод распространяется на транзисторы, диоды и другие составные части.
Типизация — заключается в рациональном сокращении видов объектов (конструкции, технологические процессы, методы испытаний и расчетов и т. п) путем установления некоторых типовых, выполняющих большинство функций объектов данной совокупности и принимаемых за основу (базу) для создания других объектов, аналогичных и близких по функциональному назначению. Этот метод часто называют методом «базовых конструкций».
Унификация заключается в рациональном сокращении существующей номенклатуры объектов (схемы функциональных элементов, конструкции и т. п.), предназначенных для выполнения одних и тех же или близких по характеру функций. Унификации могут подвергаться все составные части ЭУ от детали до сборочного изделия. Например, существуют унифицированные трансформаторы малой мощности, блоки питания; унифицированы радиовещательные и телевизионные приемники и др.
Агрегатирование является дальнейшим развитием метода унификации и состоит в том, что выделяются и конструктивно оформляются в виде самостоятельных изделий функциональные части и сборочные единицы, которые могут быть применены в различных ЭУ.
Агрегатирование в радиоэлектронике связано с использованием функционально-узлового метода проектирования ЭУ из модулей, микромодулей, микросхем и других унифицированных функциональных элементов. Ряды этих функциональных элементов имеют строго нормированные, одинаковые или кратные присоединительные размеры и электрические параметры и позволяют создавать бесконечное множество ЭУ.
Требования технической эстетики
При высоких современных требованиях к внешнему виду изделий художественное конструирование выполняют дизайнеры. Однако и инженер-конструктор должен придать изделию привлекательный вид, имея в виду, что красота — строгая соразмерная гармония всех частей единого целого.
При разработке в курсовом проекте общего вида ЭУ следует критически оценить пропорции размеров кожуха, лицевой панели, размеры, форму и взаимное положение органов управления и контроля, ручек для извлечения ЭУ из кожуха или из стойки, ручек для переноски ЭУ, ножек у ЭУ настольной конструкции и т. п. Форма элементов конструкции должна быть строгой, художественно однородной и функционально целесообразной. Например, целесообразна конструкция ручек для извлечения блока из кожуха, которая защитит приборы, органы управления и контроля на лицевой панели от повреждения при транспортировке или случайном падении. Художественная однородность достигается при минимально возможном разнообразии форм (одной, двух). Например, у изделия крупные формы — прямоугольные, все мелкие — круглые или, например, все формы — прямоугольные.
Учет условий эксплуатации
При разработке конструкции ЭУ необходимо иметь исчерпывающие данные об условиях ее эксплуатации. Внешние факторы, такие, как вибрация и ускорения, большие колебания температуры и влажности, наличие в атмосфере активных газов, паров и микроорганизмов, радиация, пыль и другие, существенно снижают надежность и срок службы ЭУ.
Разрабатываемые в курсовых проектах судовые ЭУ обычно предназначены для эксплуатации в отапливаемом помещении при значениях температуры -20-+45°С и влажности 80—95%.
3.5. Разработка электрических схем
3.5.1. Основные понятия
Внешний параметр электронной схемы (ЭС) — параметр, характеризующий режим работы ЭС и являющийся оценкой внешних по отношению к ЭС факторов. Например, внешними параметрами являются напряжение питания, температура окружающей среды, давление воздуха, его влажность. Эти факторы влияют на значения параметров элементов ЭС, а через них — на значения ее выходных параметров.
Выходной параметр ЭС — параметр, характеризующий свойства ЭС, по которым можно судить о степени выполнения ЭС своего функционального назначения. Например, к выходным параметрам усилителя относятся: коэффициент усиления, полоса пропускания, граничные частоты полосы пропускания, приведенный дрейф и др. Синонимы: функция цепи, схемная функция цепи.
Структурная схема — схема, определяющая основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи.
Функциональная схема — схема, разъясняющая процессы, протекающие в отдельных цепях или в целой ЭС. Функциональная схема занимает промежуточное место между структурной и принципиальной схемами. Цепи, в которых хотят разъяснить процессы, показывают так же подробно, как на принципиальной схеме, а другие функциональные части изображают в виде прямоугольников, как на структурной схеме.
Принципиальная (полная) схема — схема, определяющая полный состав элементов и связей между ними и, как правило, дающая детальное представление о принципах работы ЭУ.
Структурные схемы
Структурные схемы (ГОСТ 2.702—75) разрабатывают при проектировании ЭУ на стадии анализа технического задания и синтеза структуры устройства. Разработка структурной схемы предшествует разработке схем других видов (функциональной, принципиальной и др.). Структурная схема при синтезе концентрирует в себе все наиболее важное и существенное о составе, структуре и функциях ЭУ.
На структурной схеме изображают обычно в виде прямоугольников все основные функциональные части ЭУ и основные взаимосвязи между ними. Второстепенные для данного аспекта функциональные части на структурных схемах обычно не показывают (например, блоки питания), а если показывают, то линии взаимосвязи с основными функциональными частями изображают пунктиром. Предполагается, что необходимым питанием основные функциональные части будут обеспечены.
3.5.3. Выбор элементной базы
После разработки структурной схемы появляется возможность выбора элементной базы ЭУ. В первую очередь необходимо решить, какие функциональные части ЭУ могут быть построены на интегральных микросхемах (ИМС), а какие построены на дискретных ЭРЭ.
Если какая-либо функциональная часть или все ЭУ могут быть построены на ИМС, то нужно выбирать именно их ввиду значительных преимуществ, которые связаны с разработкой, производством и эксплуатацией микроэлектронной аппаратуры (МЭА).
Возможны три типа элементной базы: ИМС, дискретные ЭРЭ, ИМС и дискретные ЭРЭ. Практически любое ЭУ, построенное на ИМС, имеет некоторое количество дискретных ЭРЭ. Однако если все основные функции в ЭУ выполняют ИМС, а дискретные ЭРЭ выполняют вспомогательные функции (фильтры в цепях питания, согласование с помощью мощных транзисторов, тиристоров или оптронов выходов ЭУ с нагрузками и т. п.), то такое ЭУ является, несомненно, микроэлектронным. На ИМС обычно строят ЭУ, перерабатывающие информацию на низком уровне напряжения и мощности. Смешанную элементную базу имеют ЭУ, содержащие как маломощные, так и мощные функциональные элементы. Например, смешанную элементную базу имеют усилители, содержащие каскады предварительного усиления напряжения сигнала (ИМС) и мощные каскады (транзисторы).
На дискретных элементах создают ЭУ, которые не могут быть построены на ИМС по следующим двум основным причинам:
а) значения некоторых электрических параметров не могут быть получены с применением ИМС;
б) промышленность не выпускает ИМС данного функционального назначения.
3.5.4. Принципиальные схемы
Разработка принципиальной схемы выполняется на схемотехническом этапе проектирования и представляет собой более высокий уровень синтеза ЭУ, чем уровень синтеза структурной схемы. В то время как структурная схема есть совокупность формальных моделей функциональных частей ЭУ, принципиальная схема является совокупностью электрических моделей этих частей. Чтобы получить формальную модель, например, делителя частоты, достаточно изобразить прямоугольник и написать в нем «делитель частоты f/n», чтобы получить электрическую модель этого делителя, необходимо изобразить электронную цепь (электронную схему), способную выполнять эту функцию. Таким образом, принципиальная схема является второй, менее абстрактной моделью ЭУ. Естественно, что она значительно полнее, чем структурная схема, отображает свойства ЭУ.
Принципиальная схема синтезируется по структурной схеме ЭУ на основе анализа требований технического задания, а также требований, предъявляемых разработчиком к каждому функциональному элементу. Разработка принципиальной схемы функционального элемента заключается в выборе одной из известных схем, наиболее полно удовлетворяющей совокупность технико-экономических требований при максимальной ее простоте и надежности.
Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, например схем соединений (монтажных) и чертежей. Пользуются ими для изучения принципов работы ЭУ, а также при наладке, контроле и ремонте ЭУ.
Правила построения и выполнения принципиальных электрических схем установлены стандартами ЕСКД (ГОСТ 2701—76, 2705—75). Чтобы правильно и быстро начертить принципиальную электрическую схему, необходимо знать следующие основные правила:
1. Все элементы ЭУ (ЭРЭ и ИМС) на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.
2. Условные графические обозначения изображают в размерах, установленных в стандартах на условные графические обозначения.
Допускается все обозначения пропорционально уменьшать, при этом расстояние (просвет) между двумя соседними линиями условного графического обозначения должно быть не менее 1,0 мм.
Допускается размеры условных графических обозначений увеличивать при вписывании в них поясняющих знаков (обозначения микросхем и т.п.).
Обычные для курсовых проектов масштабы: уменьшения 1:2, увеличения 2:1. На схемах, приводимых в пояснительной записке, рекомендуется изображать условные графические обозначения в одном и том же масштабе.
3. Графические обозначения элементов и соединяющие их линии электрической связи следует располагать на схеме так, чтобы обеспечить наилучшее представление о структуре и действии ЭУ. Линии связи должны состоять из горизонтальных и вертикальных отрезков и иметь наименьшее количество изломов и пересечений. Расстояние между соседними параллельными линиями связи должно быть не менее 3 мм.
Наглядность, удобочитаемость схемы — важные ее достоинства. Хаотичное расположение элементов схемы, неудачная трассировка линий связи между ними с большим числом поворотов и пересечений, нетрадиционное изображение типовых схем — все это делает схему трудно понимаемой. Напротив, схемы, у которых условные обозначения элементов, линии связи выровнены по горизонтали и по вертикали, трассы линий связи проложены экономно, легко читаются и их действие постигается значительно быстрее.
4. Графические обозначения элементов следует выполнять линиями той же толщины, что и линии связи. Линии связи выполняют толщиной от 0,2 до 1,0 мм в зависимости от формата схем и графических обозначений. Рекомендуемая толщина линий от 0,3 до 0,4 мм.
5. В соответствии с ГОСТ 2.751—73 в узлах электрической связи необходимо показать точки в виде зачерненных кружков (рекомендуется диаметр 2 мм). Особенно важно отчетливо показывать точки в местах пересечения линий. Порой бывает трудно понять действие ЭУ только потому, что на небрежно изготовленной схеме (в особенности на ее копии) в месте пересечения линий нет отчетливо видимых точек и неясно, имеются ли между ними электрические связи.
Экспериментальный макет ЭУ, собранный по схеме, на которой ошибочно нанесена всего одна такая точка, окажется не работающим и потребуется время, иногда значительное, чтобы установить причину его бездействия. Несомненно, с хорошо видимыми точками схема более рельефна и читается легче. Указанные ошибки исключаются, если в соответствии с ГОСТ 2.751—73 на схеме применять только Т-образные соединения.
6. При изготовлении схем, имеющих входы и выходы, входы, как правило, располагают слева, а выходы — справа.
7. На полной принципиальной схеме ЭУ, вычерчиваемой обычно на листе ватмана, должны быть отображены конструктивные особенности устройства: показано разбиение схемы по платам, даны условные обозначения видов соединений (соединители, клеммы, переключатели и т. п.), указаны механические связи между электрическими элементами, способы регулирования параметров элементов, применение экранирования.
8. Вычерчивая схему, следует предусматривать около условных обозначений элементов место для записи их позиционных обозначений.
Практика показывает, что с первого раза не удается удовлетворительно вычертить полную принципиальную электрическую схему ЭУ, имея ее фрагменты в виде схем входящих в нее функциональных элементов. Нужен черновой набросок полной схемы, ее эскиз. Часто автора схемы устраивает только второй или даже третий эскиз.
3.5.5. Выполнение схем и обозначение ЭРЭ
На принципиальной схеме изображают все ЭРЭ и другие устройства (ГОСТ 2.702—75), необходимые для осуществления и контроля в ЭУ заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы и т. п.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Элементы на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.
На схеме посредством системы позиционных обозначений однозначно определяют все изображенные на ней элементы. Позиционным обозначение называют потому, что порядковый номер, который присваивают элементу, определяется только положением (позицией) его условного изображения на принципиальной схеме. Позиционное обозначение элементов в общем случае состоит из трех частей (ГОСТ 2.710—81), указывающих вид элемента, его номер и функцию. Вид и номер являются обязательной частью условного обозначения, а указание функции — не обязательным. Первой частью обозначения является одна или несколько букв (буквенный код), указывающих вид элемента. Вторая часть состоит из одной или нескольких цифр, указывающих порядковый номер элемента данного вида. Третья часть содержит одну или несколько букв (буквенный код), отражающих функцию элемента.
Все ЭРЭ разбиты по видам на группы (табл. 3.1), которым присвоены обозначения одной буквой. Для уточнения вида элементов допускается применять двух- и многобуквенные коды. Элемент данного вида может быть обозначен одной буквой — общим кодом вида элемента или двумя буквами — кодом данного элемента. При применении двух- и многобуквенных кодов первая буква является кодом группы видов, к которой принадлежит элемент. Например, транзистор и диод относятся к группе полупроводниковых приборов и кодируются в однобуквенном коде одной и той же буквой V. В двухбуквенном коде они кодируются по-разному: транзистор — VТ, диод — VD.
Таблица 3.1
Кодировка электрорадиоэлементов
| Первая буква кода | Группа видов элементов |
| А | Устройства (усилители) |
| В | Преобразователи неэлектрических величин в электрические или наоборот (кроме генераторов и источников питания) |
| С | Конденсаторы |
| D | Схемы интегральные, микросборки (DА – аналоговые, DD - цифровые) |
| Схемы интегральные, микросборки | |
| F | Предохранители, разрядники, устройства защитные |
| G | Генераторы, источники питания, кварцевые осцилляторы |
| H | Устройства индикационные и сигнальные |
| K | Реле, контакторы, пускатели |
| L | Катушки индуктивности, дроссели |
| P | Измерительные приборы, часы, счетчики (PA – амперметр, PV – вольтметр, PW – ваттметр, РТ – измеритель времени, PF – частотомер, PC – счетчик импульсов) |
| Q | Выключатели и разъединители в силовых цепях (QF – выключатель автоматический) |
| R | Резисторы (RK – терморезистор, RP – потенциометры, RS – шунт измерительный, RU – варистор) |
| S | Устройства коммутационные в слаботочных цепях (SA – выключатель или переключатель, SB – кнопка) |
| T | Трансформаторы (ТА – тока, TV – напряжения) |
| V | Приборы полупроводниковые (VD – диоды, VT – транзисторы, VS – тиристоры) |
| X | Соединения контактные (ХР – штырь, ХS – гнездо) |
Нумерацию начинают с левого верхнего угла схемы сверху вниз в направлении слева направо. Позиционные обозначения проставляют на схеме рядом с УГО элементов с правой стороны или над ними.
При проведении числовых расчетов используются значения сопротивлений или емкостей элементов, поэтому при оформлении формул эти параметры необходимо представлять в виде: RR1 (значение сопротивления резистора R1) или СС1 (значение емкости конденсатора С1). Допускается не повторять в индексе буквенный код элемента и представлять параметры элементов в виде: R1 или С1.
