Вопросы для самоконтроля 1 страница

Стр 1 из 13Следующая ⇒

А. А. Кисурин

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Учебное пособие

Воронеж 2006

Воронежский государственный технический

университет

А. А. Кисурин

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2006

УДК 621. 396. 6

Кисурин А. А. Конструирование устройств и систем управления: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 359 с.

В учебном пособии рассмотрены основные принципы реализации конструирования и технологии устройств средств управления автоматики. Изложены общие вопросы конструирования, в том числе организация и методология, специфика обеспечения технологичности конструкций, внутренней электромагнитной совместимости, способы защиты от влияния тепла, влаги, механических воздействий.

Издание предназначено для студентов 4 курса обучающихся по направлению 220200 «Автоматизация и управление» специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» по дисциплине «Конструирование устройств и систем управления».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле КиТ. doc

Табл. 68. Ил. 192. Библиогр.: 23 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В. Л. Бурковский.

Рецензенты: генеральный директор ООО «Орбита» канд. техн. наук, доц. Г. Д. Лившин;

канд. техн. наук, доцент В. В. Картавцев

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важным фактором, определяющим темпы научно-технического прогресса в современном обществе, являются радиоэлектронные средства (РЭС). Ускорение научно-технического прогресса требует сокращения сроков разработки РЭС и внедрения их в производство и эксплуатацию. Конструирование, являясь составной частью процесса создания РЭС, представляет сложный комплекс взаимосвязанных задач, решение которых возможно только на основе системного подхода с использованием знаний в области современной технологии, схемотехники, сопротивления материалов, теплофизики, эстетики и других теоретических и прикладных дисциплин. Ускорение создания РЭС можно осуществить только при широком использовании средств автоматизированного конструкторского проектирования и гибких производственных систем. Это требует от современного конструктора и технолога всестороннего овладения электронной вычислительной техникой.

Книга предназначена для студентов, обучающихся по специальности «Управление и информатика в технических системах», а также по специальности «Конструирование и технология электронных вычислительных средств», так как многие конструкторские решения по обеспечению электромагнитной и тепловой совместимости, защиты от механических воздействий и влаги, внешнего оформления с учетом требований эргономики и технической эстетики являются общими как для радиоэлектронной, так и для электронно-вычислительной аппаратуры.

Особенностью книги является то, что в ней рассмотрены не только вопросы методологии системного конструирования РЭС, но и специфика конструкций различного назначения, методы обеспечения технологичности конструкций, ограничения на конструкции, обусловленные использованием автоматизированных методов проектирования и гибких производственных систем. В конце каждой главы приведены вопросы для самоконтроля.

ВВЕДЕНИЕ

Конструкция характеризует структуру и свойства изделия, под которым понимается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделия различают по видам:

деталь — изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций;

сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе с помощью сборочных операций;

комплекс—два изделия и более (состоящих, в свою очередь, из двух частей и более), не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций;

комплект — два изделия и более, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запасных частей, инструмента).

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

Термин «радиотехника» широко использовался до 50-х годов и определял область науки и техники, связанную с генерацией, излучением, приемом и преобразованием радиоволн. С увеличением разнообразия и сложности решаемых задач в области автоматики, вычислительной, измерительной и связной техники и расширением диапазона используемых электромагнитных волн он был заменен термином «радиоэлектроника». Область науки и техники, связанная с изучением и использованием взаимодействия электронов с электромагнитными полями, называется электроникой. Изделиями электронной техники являются электровакуумные, газоразрядные, полупроводниковые, опто- и акустоэлектронные приборы, приборы на доменной неустойчивости и др.

Одновременно с развитием радиотехники и электроники изменялось понятие РЭС. Вначале РЭС назывались аппаратурой. Когда она использовалась в основном для связи, имело место понятие радиоаппаратуры. Когда же ее стали использовать для решения технических задач (обнаружение целей, наведение, навигация и т. д. ), появилось понятие радиотехнической аппаратуры. Развитие ЭВМ и систем автоматики (в том числе электронных АТС) привело к понятию электронной аппаратуры, в которой передача и преобразование информации осуществлялись методами электроники. Дальнейшее усложнение аппаратуры привело к понятию радиоэлектронной аппаратуры, в которой прием, обработка, хранение и передача информации осуществлялись методами как радиотехники, так и электроники. Включение в состав радиоэлектронной аппаратуры различных электромеханических исполнительных устройств, систем питания, теплоотвода и контроля привело к понятию «радиоэлектронное средство».

Электромагнитные колебания условно делятся на четыре диапазона: низкочастотные (от 3 Гц до 3 кГц), радиоволны (от 3 кГц до 3000 ГГц), оптическое излучение (от 3000 ГГц до 750 ТГц), рентгеновское и гамма-излучение (от 750 до 10000 ТГц). Имеется специфика способов генерации, передачи и приема электромагнитных колебаний каждого диапазона, а следовательно, имеется и специфика конструкций аппаратуры. В данной книге будут рассмотрены конструкции РЭС, работающих в диапазоне радиоволн. В свою очередь, в этом диапазоне различают высокочастотные (ВЧ) (3 кГц... 300 МГц) и сверхвысокочастотные (СВЧ) (300 МГц... 3000 ГГц) устройства, конструкции которых также существенно различаются.

Радиоэлектронные средства предназначены для передачи, приема, хранения и преобразования информации, представленной в виде непрерывных или дискретных электромагнитных сигналов. Устройства, работающие с непрерывными электромагнитными сигналами, называют аналоговыми, а устройства, работающие с дискретными сигналами, — цифровыми. Конструкции их существенно различны. Обычно в состав РЭС входят как аналоговые, так и цифровые устройства, в свою очередь включающие дискретные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры, светодиоды, фотодиоды и т. д. ), а также узлы в интегральном исполнении (интегральные схемы и

Таблица В. 1 Изменение доли (%) различных элементов в составе РЭС

Элементы

Год

Область использования

Интегральные схемы и элементы функциональной микроэлектроники Дискретные полупроводниковые приборы Электровакуумные приборы мощностью в десятки—сотни Киловатт Миниатюрные элементы

Маломощные элементы для приема, обработки и хранения информации Элементы источников питания и устройств автоматики Элементы радиопередающих устройств Элементы согласования, фильтрации, индикации, управления, соединители, провода и кабели

элементы функциональной микроэлектроники) (табл. В. 1). Приборы функциональной микроэлектроники выполнены на средах с распределенными параметрами, в которых в нужный момент под воздействием управляющего сигнала возникают динамические неоднородности среды. Эти неоднородности управляют прохождением сигнала. Использование приборов функциональной микроэлектроники эквивалентно резкому возрастанию степени интеграции по сравнению с обычными интегральными схемами. К приборам функциональной микроэлектроники относятся, например, пьезокерамические фильтры, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах. В состав элементной базы РЭС входят также элементы электромонтажа (соединители, печатные платы, провода и кабели из объемного провода).

Применительно к ИС следует различать понятия «элемент» и «компонент». Под элементом ИС понимается часть, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложи и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонентом является часть ИС, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонентом может быть либо часть гибридной ИС, либо гибридная или полупроводниковая ИС. РЭС, в которых используются элементы в интегральном исполнении, называются микроэлектронными и составляют подавляющее большинство. Это определяет актуальность развития конструкторско-технологического направления создания микроэлектронных РЭС.

Под конструкцией (от лат. constmctio — составление, построение) понимается совокупность деталей и материалов (тел) с разными физическими свойствами, находящихся в определенной физической связи (электромагнитной, тепловой, механической), обеспечивающая выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью под влиянием внешних и внутренних воздействий и воспроизводимая в условиях производства. Конструкция определяет взаимное расположение частей в пространстве, способы их соединения, характер взаимодействия, а также материал, из которого они изготовлены. Конструкция РЭС отличается рядом особенностей, которые выделяют ее в отдельный класс среди других конструкций:

1) иерархической структурой (от греч. hierarchia, hieros —священный, arche — власть), под которой подразумевается последовательное объединение более простых электронных узлов в более сложные;

2) доминирующей ролью электрических и электромагнитных связей;

3) наличием неоднородностей в электрических соединениях, приводящих к искажению и затуханию сигналов, а также паразитных связей, порождающих помехи (наводки);

4) наличием тепловых связей, что требует принятия мер защиты термочувствительных элементов;

5) слабой связью внутренней структуры конструкции с ее внешним оформлением.

Конструкторская иерархия реализуется с помощью уровней разукрупнения РЭС, габаритные размеры которых стандартизованы. Конструкции нижестоящего уровня совместимы с конструкциями вышестоящих уровней. По конструктивной сложности различают следующие уровни разукрупнения РЭС: шкаф, блок, ячейка. Если устройства являются не только конструктивно, но и функционально законченными, то они называются модулями (от лат. modulus — составная часть, кратная целому).

Различают (ГОСТ 26632—85) следующие уровни разукрупнения РЭС в модульном исполнении по конструктивной сложности: радиоэлектронный модуль третьего уровня (РЭМ 3) — функционально законченный радиоэлектронный шкаф, пульт, стойка, выполненные на основе базовой несущей конструкции третьего уровня и обладающие свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости; модуль второго уровня (РЭМ 2) — блок или рама; модуль первого уровня (РЭМ 1) — ячейка, плата. Модуль нулевого уровня (РЭМ 0) конструктивно совместим с модулем первого уровня и реализует преобразование информации или преобразование сигналов. Обычно это элементы (ЭРЭ, ИС, элементы функциональной микроэлектроники), не имеющие самостоятельного эксплуатационного применения. На рис. В. 1 представлена система иерархических конструктивных уровней разукрупнения РЭС подвижного наземного комплекса. Она состоит из шкафов, в которых размещают блоки четырех типоразмеров; в двух блоках (тип I) использованы функциональные ячейки, в двух других (тип II) — плоская панель, на которой расположены навесные ЭРЭ и электрические соединения.

Совокупность уровней разукрупнения РЭС определенного назначения образует конструкционную систему. Известны конструкционные системы РЭС измерительных приборов, электронной вычислительной аппаратуры, телевизионной, связной аппаратуры и др.

Конструкция создается в процессе конструирования, под которым понимают мыслительную, оформительскую и организаторскую деятельность. Основным содержанием конструирования является прогнозирование некоторой будущей структуры на основании современных данных, нахождение и отражение найденных связей между частями конструкции в конструкторской документации и внедрение ее в производство и эксплуатацию. Одним из наиболее важных результатов конструирования является получение новой информации, которую можно использовать в последующих разработках. Эта информация может иметь позитивный (новое решение) или негативный характер. Отрицательный результат тоже полезен, так как позволяет избежать повторения ошибок.

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.

Рис. В. 1. Система базовых несущих конструкций РЭС подвижного наземного комплекса

Конструирование может осуществляться либо только человеком (вручную), либо с использованием ЭВМ.

Одним из наиболее трудных и творческих этапов конструирования является компоновка (от лат. componere — складывать) — размещение на плоскости или в пространстве различных элементов РЭС. Плотность компоновки РЭС определяется числом элементов в единице объема (элем. /см³) или площади (элем. /см²). Иногда поверхностная плотность компоновки выражается числом ИС, размещаемых на единице площади (ИС/см). В некоторых случаях указывается число внешних выводов ИС; так, ИС с 16 выводами обозначается ИС₁₆.

Расширение областей использования и усложнение РЭС ведут к увеличению числа входящих в них элементов и компонентов, что повышает стоимость, габариты, массу, энергопотребление и снижает надежность РЭС. Вначале для улучшения этих параметров осуществляли миниатюризацию элементов (например, применяли электровакуумные лампы типа «дробь», «желудь», «пальчиковой» серии). Развитие интегральной гибридной и полупроводниковой технологии позволило резко уменьшить размеры элементов и перейти к микроминиатюризации.

Для дальнейшего улучшения параметров РЭС используют различные системотехнические, схемотехнические, конструкторские и технологические решения, в совокупности называемые комплексной микроминиатюризацией. Это увеличение степени интеграции ИС и модулей, разработка методов структурного резервирования, сложение мощностей маломощных источников излучения СВЧ, отвод тепла с помощью «тепловых труб», защита от механических воздействий с помощью вязкоупругих компаундов, защита от влаги бескорпусных элементов в составе блока общей оболочкой, использование микромощных элементов на основе КМДП-структур и транзисторных пар, изготовленных в едином технологическом цикле, замена электромеханических узлов электронными и т. д. Актуальность комплексной микроминиатюризации не снижается, так как отношение объема, занимаемого элементами в интегральном исполнении, к объему РЭС составляет 1: 10 и менее.

Классификация РЭС. В настоящее время существует большое число РЭС и их конструкций, которые можно классифицировать по: 1) функциональному назначению системы (самолетный метеонавигационный радиолокатор, ЭВМ управления робототехническим комплексом, слуховой аппарат на эффекте костной проводимости и т. д. ); 2) функциональному назначению отдельных устройств (пульт станка с ЧПУ, индикатор РЛС); 3) частотному диапазону сигналов (низкие частоты — блок питания, устройство автоматики; высокие частоты — блок усиления видеосигнала, блок гетеродина устройства связи; СВЧ — малошумящий усилитель, усилитель мощности и т. д. ); 4) по конструктивной сложности (ИС, плата, блок, шкаф, пульт, стойка); 5) типу производства (единичное, серийное, массовое).

Классификация по функциональному назначению часто является доминирующей, так как объект установки РЭС в решающей степени определяет специфику конструкции (защита от дестабилизирующих факторов, масса, форма, габариты, энергопотребление, стоимость, надежность).

Показатели качества РЭС. Эффективность и качество конструкции РЭС характеризуются системой показателей — критериев (от греч. Kriterion — средство для суждения). Одним из важнейших показателей является технологичность конструкции, под которой понимается совокупность свойств конструкции изделия, обеспечивающая оптимизацию затрат при производстве, эксплуатации, ремонте с учетом заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Технологичность конструкции — понятие относительное. Например, конструкция, технологичная при единичном производстве, когда используются универсальное оборудование и высококвалифицированный персонал, нетехнологична при массовом производстве, основанном на применении специализированного оборудования, когда весь технологический процесс разбит на операции, которые могут выполняться персоналом сравнительно невысокой квалификации. Точно так же РЭС, технологичная для неавтоматизированного производства, может стать нетехнологичной в условиях гибкого автоматизированного производства, основанного на «безлюдной» технологии с применением манипуляторов и роботов.

Кроме технологичности каждая конструкция РЭС характеризуется рядом технических показателей, важность, номенклатура и значения которых зависят от назначения РЭС, стадии разработки, элементной базы. Для РЭС летательных аппаратов наиболее важным показателем является масса, для РЭС подводных лодок и танков — объем, для космических объектов — надежность, для наземных РЭС — затраты на изготовление и стоимость эксплуатации. Другие показатели выступают в качестве ограничений: для самолетных РЭС — это надежность, объем и форма; для танковых — надежность; для РЭС космических объектов — масса, надежность и габариты; для стационарных РЭС — занимаемая площадь и ремонтопригодность. Показатель надежности (ГОСТ 27. 002—83) является комплексным, включающим такие свойства, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость.

Для конкретных видов РЭС и условий эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Для неремонтируемых объектов надежность включает в основном безотказность. Для ремонтируемых объектов важнейшим показателем надежности является ремонтопригодность. Каждое свойство содержит ряд показателей. Безотказность можно характеризовать вероятностью безотказной работы, средним временем наработки на отказ, потоком отказов, долговечность — различными показателями ресурсов и сроков службы (до ремонта, до описания и т. д. ).

На различных этапах разработки и производства изделия используют свои показатели. Так, при исследовании возможности создания РЭС для использования на объекте с весьма ограниченным объемом (например, для радиоуправляемой модели корабля) главным свойством является объем, который определяет принципиальную возможность использования РЭС. На стадии разработки конструкции опытного образца этого РЭС на первое место выступает соответствие техническим требованиям, в частности по надежности, зависящее от правильности выбора конструкторско-технологических решений. При разработке конструкции серийного образца определяющим показателем становится стоимость, которая зависит от использования высокопроизводительных технологических методов, автоматизации, тщательности отработки технологических режимов.

Показатели качества на отдельных этапах конструирования и внедрения РЭС могут не только различаться, но и быть противоречивыми. Так, при автоматизированном конструкторском проектировании электрических соединений печатной платы противоречивыми являются требования минимальной суммарной длины связей и минимального числа пересечений при однослойной трассировке. Первое требование обусловливает плотность размещения связей, а это затрудняет трассировку без пересечений.

Номенклатура показателей РЭС, их количественные и качественные значения изменялись с развитием элементной базы. Такие показатели, как сложность РЭС (число элементов), масса, габариты, надежность, стоимость, энергопотребление, были актуальны для всех поколений РЭС. Однако количественные значения этих показателей непрерывно изменялись в сторону снижения массы, габаритов, стоимости и в сторону увеличения сложности и надежности. Для РЭС на дискретных элементах важнейшим показателем качества являлось число электровакуумных приборов, имевших низкую надежность, большие габариты, потребляемую мощность, стоимость. Поэтому число активных элементов старались уменьшить. При использовании элементов в интегральном исполнении (в составе ИС) в ряде случаев избыточность активных элементов полезна. Например, при использовании транзисторной структуры в качестве диодов или резисторов уменьшается площадь последних, а увеличение числа адресных формирователей в полупроводниковой памяти позволяет увеличить быстродействие (благодаря укорочению линий выборки) и повысить выход годных устройств памяти (в результате исключения неисправных регистров).

Показатели могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные показатели характеризуют конструкции РЭС без учета достигнутого ранее уровня, а относительные — с его учетом. Примерами абсолютных показателей, сохранивших свое значение и поныне, являются масса, габариты. С возникновением интегральных схем появились новые абсолютные показатели: степень интеграции ИС, плотность компоновки РЭС, плотность теплового потока, удельная мощность, удельная масса, минимальная суммарная длина электрических связей.

Относительные показатели (уменьшение массы, объема, энергопотребления) стали особенно актуальными для РЭС в микроэлектронном исполнении.

Рассмотрим подробнее новые абсолютные и относительные показатели. Степень интеграции численно равна десятичному логарифму числа элементов, входящих в ИС. Интегральные схемы со степенью интеграции элементов больше третьей называют большими (БИС). Чем выше степень интеграции схемы, тем более компактное РЭС можно создать. В принципе с помощью полупроводниковой технологии можно создать сложное устройство на одной полупроводниковой пластине, что и ожидается к концу 80-х — началу 90-х годов.

Показатели плотность теплового потока (Вт/см²) и удельная-тепловая мощность (Вт/см³) особенно актуальны для оценки параметров корпусированных микроэлектронных модулей (источники питания, быстродействующие цифровые узлы, выходные каскады передатчиков).

Удельная масса герметичных блоков, имеющих несущие конструкции из легких сплавов, обычно равна 1, 2... 1, 5 г/см³. Эту характеристику полезно знать для ориентировочной оценки ожидаемой массы герметичного блока, если известен его объем.

Относительные показатели характеризуют достигнутый при новой разработке технический уровень конструкции по сравнению с существовавшим ранее. К ним относятся коэффициенты уменьшения массы , объема , энергопотребления :

где — масса, объем и энергопотребление РЭС до использования новых микроэлектронных узлов; — масса, объем и энергопотребление РЭС после использования новых микроэлектронных узлов. Коэффициенты и характеризуют эффективность использования компонентов с повышенной степенью интеграции, а также эффективность миниатюризации механических и электромеханических узлов; коэффициент уменьшения энергопотребления позволяет оценить резервы по уменьшению габаритов и массы РЭС за счет уменьшения габаритов и массы, как источников питания, так и систем охлаждения.

Кроме приведенных относительных и абсолютных показателей существуют и другие, например коэффициент заполнения объема РЭС , где — полезный объем, занимаемый элементами; — общий объем устройства. Существуют показатели, характеризующие эстетические и эргономические свойства и др.

Эволюция конструкций РЭС. Первые устройства проводной телеграфной связи появились в середине прошлого века. Первый телеграфный аппарат был создан русским изобретателем П. Л. Шиллингом (1832), ряд аппаратов — русским физиком Б. С. Якоби (1840—1850). Первый в мире радиоприемник, изобретенный А. С. Поповым, был продемонстрирован им в 1895 г. Конструкция первых РЭС напоминала аппаратуру проводной связи (деревянный ящик, монтаж неизолированным проводом, контактирование с помощью винтов). Установка РЭС на суда и автомобили (1925—1935) привела к необходимости увеличения прочности и экранирования отдельных узлов с помощью металлического шасси. Увеличение серийности выпуска аппаратуры привело к созданию конструкторской иерархии. Для защиты аппаратуры танков и самолетов (1935—1945) были разработаны герметичные корпуса, которые устанавливались на амортизаторы. Требование минимизации массы и объема ракетной аппаратуры (1940—1950) привело к созданию микромодулей, печатных плат, полупроводниковых приборов, коаксиальных кабелей, полосковых линий, интегральных схем. Дальнейшее усложнение аппаратуры привело в 60—70-х годах к появлению приборов функциональной микроэлектроники.

РЭС первого поколения (20—50-е годы) были построены с использованием электровакуумных ламп, дискретных ЭРЭ, проводных электрических связей; ко второму поколению РЭС (50—60-е годы) относят конструкции РЭС на печатных платах и дискретных полупроводниковых приборах; к третьему—конструкции на печатных платах и ИС малой степени интеграции (60—70-е годы). В конструкциях РЭС четвертого поколения применены БИС, многослойные печатные платы, гибкие печатные шлейфы, микрополосковые линии. В настоящее время развиваются ЭС пятого поколения, в которых находят применение приборы функциональной микроэлектроники. Широкое распространение этих РЭС ожидается к концу века.

Рассмотрим специфику конструкций аппаратуры первых четырех поколений. Аппаратура первого поколения имела блочную конструкцию. Каждый блок — осциллограф, вольтметр, радиоприемник, блок автоматики (рис. В. 2), блок аналоговой ЭВМ (рис. В. З) и т. д. — имел определенное функциональное назначение. К недостаткам этой аппаратуры, в состав которой входили электровакуумные приборы и дискретные ЭРЭ, относятся малые плотности компоновки, степень унификации несущих конструкций, неприспособленность конструкции к механизации и автоматизации сборочно-монтажных работ.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒