СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
План
1. Конструкция ЭС как система
2. Свойства конструкций ЭС
3. Структурные уровни
4. Классификация электронных средств
Понятие “система“ в технике означает сложную совокупность объектов и связей между ними, предназначенную для реализации заданных функций. Как любая сложная сборочная единица машиностроения или приборостроения, конструкция ЭС отвечает трём главным условиям совместимости: возможности композиции и декомпозиции, образованию при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей , наличию иерархического порядка в структуре. Первые два условия системности означают, что в результате процесса конструирования (композиции) должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образование – конструкция ЭС (или их частей), составленное из входящих в него готовых (покупных) и вновь спроектированных частей, причём это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей.
Третье условие системности ( иерархический порядок ) проявляется в разделении конструкции на структурные уровни, или уровни входимости. Это значит, что высокий уровень структуры конструкции составляется из частей её, относящихся к более низким уровням, или в терминах конструкторской документации ( КД ) : составная часть, относящаяся к более низкому уровню входимости, входит в спецификацию части более высокого структурного уровня.
Каждая конструкция характеризуется определённой системой свойств, по которым возможно качественное или количественное сравнение конструкций.
Количественные оценки свойств конструкции называют параметрами конструкции ( У ).
Качественно свойства конструкции отображаются её структурой (S),которая определяется схемой внутренних и внешних связей. Последние могут быть следующих типов:
-геометрические,
-механические,
-электрические,
-магнитные,
-тепловые и т.п.
Одни и те же свойства конструкции могут быть получены в результате реализации различных структур.
Для представления абстрактной модели конструкции ЭС может быть использован аппарат теории множеств.
Если обозначить
множество структур через S={Si, i=1,2,…,n},
множество параметров Y={Yj, j=1,2,…,m} и
множество взаимодействий X={Xk, k=1,2,…,l},
то абстрактная модель выразится как
К=S∩Y,
где ∩-символ пересечения множеств S и Y,
Si=S(S1,S2,…,Sn; y1,y2,…,yn; x1, x2,…,xl, t),
Yj выражается аналогично.
Иначе говоря, как сами некоторые структуры, так и их параметры, а в общем это свойства конструкции К, являются функциями большого числа факторов, связанных с внешними воздействиями, параметрами элементов и схемами связей между ними и внешней средой; причём многие из этих факторов взаимозависимы и часто при анализе модели неизвестны.
Выводы:
1. Формализация процесса конструирования с математической точки зрения является плохо формулируемой задачей.
2. Для конструирования ЭС в целом сейчас нельзя установить алгоритм этого процесса, пригодный для ЭВМ.
3. Для частных формализуемых задач конструирования ( выбора номиналов, допусков, оптимального размещения и трассировки и т.п. ) применение алгоритмов не только возможно, но и необходимо в конструкторской практике.
4. Процесс конструирования сводится в настоящее время к логико-математическому поиску оптимума при последовательном усовершенствовании исходного варианта, получаемого на основе приемственности и требований ТЗ.
Для практических целей были разработаны 36 кодифицированных свойств конструкций ЭС, объединённых в пять групп ( табл. 1 )
Таблица 1
Функциональная внутренняя
связь
Совмести-
мость
Надёжность
Технологи-
чность
Патент-
ность
Электрическая (включая допусковые вопросы)
Электромагнитная
Тепловая
Пространственная (включая расположение центра тяжести)
Механическая (включая расположение центра жёсткости)
С объектом: пространственная, весовая, электрическая, электромагнитная
С оператором
эргономическая, эстетическая
Безотказность при воздействии: вибрации, ударов, линейных ускорений, тепла, тепловых ударов, холода, влаги, брызг, воды, химической среды, плесени, пыли, песка, радиации, давления
Долговечность
Сохраняемость
Ремонтнопригод-
Количество ЗиП
Унификация и стандартизация
Преемствен-
Однородность комплектации
Собираемость и стыковка
По деталям и узлам собственного производства
По материалам
Патентно-способность
Патентная чистота.
Как видно из таблицы, эти группы свойств конструкции ЭС отражают собственно те группы требований к конструкции, которые предъявляются её создателями – разработчиками и изготовителями и её потребителями, а именно:
-техническими требованиями,
-производственно – технологическими,
-эксплуатационными,
-юридическими.
Первая группа требований определяется электрическими и механическими выходными параметрами такими как, например, чувствительность приёмника, выходная мощность передатчика, быстродействие ЭВМ, диапазон рабочих частот, вес, габариты и т.п., а также степенью устойчивой работы ЭС в условиях электромагнитных наводок и внутренних перегревов.
Вторая группа отражает в основном требования технологичности, серийноспособности и экономичности ЭС.
Третья группа требований включает в себя вопросы обеспечения надёжности, ремонтопригодности, готовности ЭС, а также вопросы эргономики и технической эстетики. Причём требование надёжности может, в свою очередь, быть раскрыто более полно, как требования обеспечения вибро-и ударопрочности, виброустойчивости, температурной стабильности, влагозащищённости, герметичности и т.д.
В таблице свойства конструкции, обеспечение которых удовлетворяют первой группе требований, подчёркнуты сплошной линией, второй группе – пунктиром и третьей – штрих-пунктиром.
Юридические требования вполне однозначно определяются патентными свойствами.
Структурное дробление конструкции даёт экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации ЭС и преследует три цели:
1) параллельное конструирование частей;
2) параллельное изготовление частей;
3) повышение ремонтопригодности.
Параллельное конструирование частей, входящих в конструкцию, значительно ускоряет процесс конструирования. Оно возможно благодаря выполнению условий размерной совместимости, предусматривающей взаимное назначение для сопрягаемых частей габаритных и присоединительных размеров, а также совмещаемых электрических параметров в пределах предусмотренных допусков. Параллельное изготовление частей, входящих в различные структурные уровни, идёт по независимым производственным циклам, соприкасающимся только при сборке конструкции. Это ускоряет производство в десятки раз. Ремонтопригодность при эксплуатации повышается благодаря упрощению поиска неисправностей и возможности ремонта агрегатным способом, т.е. путём замены крупных частей. В дальнейшем возможен ремонт этих частей.
Каждая конструкция ЭС в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие. Можно представить некоторую обобщённую таковую структуру и на её основе рассмотреть в общем виде основные структурные особенности, справедливые в принципе для всех конструкций.
Типовая структура конструкции современных ЭС состоит из электрической базы как исходного функционального материала и четырёх уровней, от нулевого до третьего, из которых нулевой и первый называются низшими, а второй и третий – высшими.
Элементная база состоит из электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы ЭС ( или частей ) как комплектующие изделия. ЭРИ включают в себя следующие классы:
1) электрорадиоэлементы (ЭРЭ) – дискретные резисторы, конденсаторы, кварцевые фильтры и т.п., моточные изделия ( трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности, электромагнитные линии задержки и др.) ;
2) электровакуумные изделия (ЭВИ) – радиолампы, электронно-лучевые приборы, электрические световые табло и т.п.;
3) полупроводниковые приборы (ППП) – транзисторы, тиристоры и т.д.;
4) интегральные схемы (ИС) ;
5) изделия электропривода и автоматизации (ИЭПА);
6) контрольно-измерительные приборы (КИП);
7) коммутационные изделия (КИ);
8) микропроцессорные компоненты (МПК);
9) волоконно – оптические кабели с соединителями ( ВОКС ).
Элементная база – ещё не конструкция ЭС. Конструкция начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к нулевому структурному уровню. Существуют три разновидности функциональных узлов: микросборки, печатные узлы и гибридно-интегральные узлы.
Микросборки относят к подуровню нулевого уровня структуры РЭС. Они входят в состав печатных узлов ( корпусные микросборки ) и гибридно-интегральных узлов ( бескорпусные микросборки ).
Схема структуры ЭС имеет две параллельные ветви: по печатному ( левая часть схемы ) и гибридно-интегральному исполнению узлов ( правая часть ). В современных ЭС находят применение оба конструктивно-технологические исполнения.
Первый уровень состоит из модулей, второй из блоков, а третий представляет собой окончательно оформленную конструкцию РЭС в целом, т.е. самостоятельное в эксплуатационном отношении изделие в виде сборочной единицы.
В зависимости от сложности конструкции ЭС различают комплексы, системы, радиоэлектронные устройства ( РЭУ ), блоки, функциональные узлы ( ФУ ),детали. Такое деление отличается от положениями ЕСТД (комплексы-сборочные единицы-детали ); однако на практике оно наиболее распространено.
Классификация ЭС по отдельным признакам, например назначению, объекту установки и условиям эксплуатации определена давно и достаточно строго, а по функционально конструктивным признакам опять – таки в разных источниках многовариантна. Можно привести много примеров, где одним и тем же термином обозначаются совершенно разные по своим функциям и конструктивной сложности изделия: полупроводниковый прибор (транзистор) и измерительный прибор (вольтметр ламповый); импульсное устройство (триггер) – радиоприёмное устройство (транзисторный приёмник); блок конденсаторов переменной ёмкости – блок индикатора кругового обзора и т.д. Поэтому остановимся на видах классификации ЭС по следующим признакам:
- по функциональной сложности, т.е. по числу и рангу функций, выполняемых изделием;
- конструктивной сложности, определяемой числом элементов конструкции и числом соединений между ними, выбранной элементной базой и способом компоновки;
- назначению;
- объекту установки;
- виду сигнала и диапазону частот.
По функциональной сложности деление, например ЭС может быть представлено в виде следующей цепочки ( сверху вниз ): радиотехническая система – комплекс радиоэлектронных устройств – радиоэлектронное устройство ( РЭУ ) – блок – субблок – функциональный узел.
Радиотехническая система представляет собой совокупность сигналов в пространстве, операторов и радиоэлектронной аппаратуры, размещённых на объектах в определённых точках на поверхности или в пространстве, действующих в условиях помех и внешних возмущений, *)например, система посадки самолёта.
Комплекс радиоэлектронных устройств – совокупность РЭУ, объединённых, как правило, на одном объекте и являющихся законченной частью, например наземный и бортовой комплекс радиосвязи самолёта с землёй.
Радиоэлектронное устройство - часть комплекса, решающая основную целевую функцию, функционально и конструктивно законченная и, главное, автономно эксплуатируемая, например телевизионный приёмник с антенной.
Определение блока, субблока, функционального узла смотри в разделе терминологии ЭС.
По конструктивной сложности, определяемой выражением:
С=k1(k2N+k3M), (1)
где k1 – масштабный (нормирующий) коэффициент относительно конструкции прототипа,
k2,k3 – весовые коэффициенты, учитывающие вероятности отказов элементов и соединений,
N, M – число схемных элементов и соединений между ними, соответственно электронные средства, подразделяют на много – и моноблочные конструкции, функциональные ячейки, микросборки, микросхемы и функциональные компоненты.
Многоблочные конструкции выполняют в виде шкафов, стоек, пультов, моноблочные – виде контейнеров или отдельных корпусированных приборов, функциональные ячейки – в виде сборок ЭРЭ и корпусированных ИС на печатных платах или сборок из МСБ на металлических рамках. Микросхемы и функциональные компоненты ( оптроны, интегральные пьезофильтры, фильтры ПАВ, джозефсоновские приборы, приборы на ПЗС и ЦМД и др.) часто корпусируются и представляют собой изделия электронной техники, выпускаемые для широкого применения Минэлектронприбором. В совокупности они образуют элементную базу современных ЭС.
По назначению ЭС делят на средства:
- радиовещания и телевидения;
- радиоуправления и телеметрии;
- радиоастрономии;
- радиоизмерительные;
- обработки данных и информации;
- записи и воспроизведения;
- медицинские и промышленные ЭС.
По объекту установки они классифицируются на три основных категории, в каждой из которых существуют группы, а именно бортовые (самолётные, космические, ракетные), наземные (возимые, носимые, переносные, бытовые, стационарные) и морские (судовые, буйковые).
По виду сигнала и диапазону частот они могут быть аналоговыми, цифровыми и СВЧ.
В заключение отметим, что ЭС, а в частности РЭС может принимать различные конструктивные формы в зависимости от его функциональной сложности и системы интеграции используемых в нём ИС. Например, при высокой степени интеграции и соответствующей функциональной сложности ( свыше 10000 элементов ) устройство может быть заключено в один объём, имеющий форму моноблока, ячейки, микросборки и даже одного кристалла. При недостаточной степени интеграции формообразование радиоустройств идёт по пути создания многоблочной конструкции. Это положение отражает табл.2, в которой показана зависимость формообразования конструкций РЭС от степени интеграции микросхем.
Таблица 2
Ранг функциональ-ной
сложности РЭС
Форма конструктивного исполнения при количестве элементов в ИС
не более 100
100…1000
1000…10000
более 10000
Устройство
Многоблочная
конструкция
Моноблок
или ФЯ
МСБ
**СБИС
Блок
БИС
__
Субблок
Функциональная
ячейка
*БИС
_
Функциональ-ный узел
ИС,гибридная ИС, функциональный компонент
*БИС – большая интегральная схема,
**СБИС – сверхбольшая интегральная схема.
В приведённой выше таблице можно указать конкретные виды конструктивов: многоблочная конструкция – ЭВМ EC 1045, моноблок – микрокалькулятор на печатной плате ”Электроника МК36”, МСБ – микрокалькулятор на стеклянной подложке с кристаллодержателями серии К145 ”Электроника Б3 – 04”, СБИС – однокристальная ЭКВМ специзделия.