Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

лесообразно осуществлять без проведения соответствующих исследо-

ваний. НИР проводят с целью получения основных исходных данных

для разработки ТЗ на новую модернизированную аппаратуру. Требования

к НИР определяются ГОСТ 15.001-80 и проводятся поэтапно.

Первый этап — разработка ТЗ. Этот документ является исходным

и определяет цель, содержание, порядок проведения работ, а также на-

меченный способ реализации результатов НИР. В общем случае ТЗ на

НИР должно состоять из следующих разделов: основание для проведе-

ния НИР, цель и исходные данные для проведения НИР, этапы НИР,

основные требования к выполнению НИР, способ реализации НИР, пе-

речень технических документов, предъявляемых по окончанию НИР,

порядок рассмотрения и приемки НИР, технико-экономические обос-

нования НИР, приложения.

Второй этап — выбор направления исследования. Идет сбор и

изучение научно-технической литературы, научно-технической доку-

ментации (НТД) об аналогах и других материалов, относящихся к раз-

рабатываемой теме. Проводятся эксперименты, рассматриваются ре-

зультаты эксплуатации аналогов. На этом этапе проводят патентные

исследования и составление тематического обзора.

Третий этап — теоретические и экспериментальные исследова-

ния. Проводится разработка рабочих гипотез построения моделей объ-

екта исследований, обоснование допущений. Разрабатывается методи-

ка экспериментальных исследований, подготавливаются модели, испы-

тательное оборудование. Сопоставляются теоретические и экспери-

ментальные данные. При необходимости составляется промежуточный

отчет.

Четвертый этап — обобщение и оценка результатов исследова-

ний. Обобщаются результаты предыдущих этапов работы. Формулиру-

ются технические требования для ТЗ на проведение ОКР. Составляется

и оформляется отчет. Рассматриваются результаты проведения НИР и

производится приемка работы в целом. При положительных результа-

тах НИР проводится комплекс работ по разработке конструкций РЭС

(ОКР).

Проведение ОКР регламентируется ГОСТ 2.403-68. Работа

осуществляется под единым техническим и научным руководством в

двух взаимосвязанных направлениях: по электрической схеме и

конструкции.Разработкой схем и принципа действия, включая

макетирование и экспериментальную проверку электрических схем,

заняты радиотехниче-ские подразделения. Разработка конструкций,

включая все исследования конструкции РЭС и составных частей,

выполняется конструкторскими подразделениями. Исследования

опытных образцов проводятся совместно.

В общем случае выполняются три проектные стадии: техническое

предложение, эскизный проект, технический проект.

Техническое предложение разрабатывается с целью выявления до-

полнительных или уточнения существующих требований к изделию.

Объем технического предложения определяется ТЗ, а требования к его

выполнению устанавливает ГОСТ 2.118-73.

Техническое предложение — совокупность конструкторских доку-

ментов, которые должны содержать технические и технико-экономиче-

ские обоснования целесообразности разработки документации изделия

на основании анализа ТЗ заказчика и различных вариантов возможных

решений изделий.

При разработке технического предложения может обнаружиться,

что для принятия окончательного варианта не хватает информации. В

этом случае необходимо провести дополнительные исследования, ко-

торые могут носить теоретический или экспериментальный характер.

Чаще всего они включают изготовление экспериментальных образцов

или моделей.

Техническое предложение разрабатывается проектной организа-

цией или НИИ и затем передается заказчику для дальнейшей проработ-

ки по установленному оптимальному варианту.

Эскизный проект разрабатывается в том случае, если это предус-

мотрено ТЗ или протоколом рассмотрения технического предложения.

В эскизном проекте производится конструкторская проработка опти-

мального варианта до уровня принципиальных конструкторских реше-

ний, дающих общее представление об устройстве и принципах работы

изделия. Требования к выполнению эскизного проекта устанавливает

ГОСТ 2.119-73. На этой стадии закладываются основы применения

типовых, стандартизированных и унифицированных составных

частей разработки.

Эскизный проект - совокупность конструкторских документов, ко-

торые должны содержать принципиальные конструктивные решения,

дающие общее представление об устройстве и принципе работы изде-

лия, а также назначение, основные параметры и габаритные размеры. В

эскизном проекте подтверждаются или уточняются требования к изде-

лию, установленные ТЗ и техническим предложением. На основе про-

водимых конструкторских проработок разрабатываются новые, уточ-

ненные технические требования и уточняются новые технические пара-

метры. Рассчитываются необходимые технико-экономические показа-

тели, которые заложены при разработке эскизного проекта.

Технический проект разрабатывается в том случае, если это пре-

дусмотрено ТЗ, протоколом рассмотрения технического предложения

и эскизного проекта. Требования к выполнению технического проекта

устанавливает ГОСТ 2.120-73. В техническом проекте должны быть ре-

шены все вопросы, обеспечивающие технический уровень нового изде-

лия как в процессе изготовления, сборки, испытания, так и в процессе

эксплуатации. Проводится детальная и окончательная отработка схем-

ных и конструктивных решений, включая создание чертежей на все

важные узлы, блоки и приборы. Должна быть закончена проработка

всех вопросов защиты от внешних воздействий, доступа при ремонте и

контроле, привязка к объекту установки (носителю), уточнено распо-

ложение органов управления и т.п.

Технический проект — совокупность конструкторских документов,

которые должны содержать окончательные технические решения, даю-

щие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и

включающие в себя данные, необходимые и достаточные для разработ-

ки рабочей КД. Номенклатуру КД технического проекта устанавливает

ГОСТ 2.102-68. Обязательными документами являются чертеж общего

вида, ведомость технического проекта и пояснительная записка.

Документам технического предложения присваивается литера «П»;

эскизного проекта — «Э»; технического проекта — «Т».

На стадии рабочего проектирования решаются вопросы конструк-

торских и технологических разработок оригинальных деталей. Устра-

няются все замечания, выявленные при обсуждении и принятии техни-

ческой документации предыдущих стадий проектирования.

Различают три стадии рабочего проектирования: стадию опытного

образца, стадию установочной серии, стадию установившегося произ-

водства.

В пределах каждой стадии установлена определенная последова-

тельность работ по этапам. На стадий опытного образца разрабатыва-

ют КД для изготовления опытного образца, на основании которой про-

изводят подготовку опытного производства, подготавливают опытный

образец, проводят его заводские испытания. По результатам изготовле-

ния и испытаний производят корректировку КД с присвоением литеры

«О». По откорректированной КД дорабатывают опытный образец до

полного соответствия литере «О», после чего проводят приемочные ис-

пытания. Результаты приемочных испытаний фиксируются в протоко-

ле, на основании которого производят корректировку КД с присвоени-

ем литеры «O1». На основании КД с литерой «O1» осуществляют подго-

товку серийного производства на заводе изготовителе.

На стадии установочной серии на серийном заводе изготавливают

установочную серию изделий и подвергают их испытаниям для выявле-

ния недостатков, почему-либо оставшихся незамеченными в опытном

образце или возникших в условиях производства на данном предприя-

тии. По протоколу испытаний производят корректировку КД с присво-

ением литеры «А» и передают подлинники КД на завод.

На стадии установившегося производства при изготовлении и ис-

пытании головной серии корректируют КД по результатам авторского

надзора с учетом возможных отклонений по мере отработки технологи-

ческого процесса и обеспечивающей его оснастки. По протоколу испы-

таний производят корректировку КД с присвоением литеры «Б», что да-

ет право наладить серийное и массовое производство изделия. КД на

изделие для разового изготовления присваивают литеру «И».

ный диапазон РЭС, источники помех, быстродействие и объем памяти

вычислителей, состав всего изделия и возможности его конструктивно-

го расчленения на функционально законченные устройства или блоки.

Исходя из назначения, объекта установки, требований к материаль-

ным параметрам с помощью комплексного показателя качества обосно-

вывается выбор направления конструирования (на печатных платах с

корпусированными ИС и МСБ либо микросборочное бескорпусное кон-

струирование), которое должно быть утверждено главным конструкто-

ром разработки. После выбора направления конструирования и анализа

возможностей разбиения электрической схемы всего устройства на

блоки необходимо определить, сколько содержится (или будет содер-

жаться) в электрической принципиальной схеме каждого блока корпу-

сированных ИС или бескорпусных МСБ; при этом надо учесть, что на

площади 24x30 мм тонкопленочной подложки возможно разместить по-

рядка 12 бескорпусных ИС.

Выбор элементной базы является одним из главных этапов обеспе-

чения качества изделия. В ряде случаев этот выбор может быть сделан

из широкого круга представленной номенклатуры элементов и осуще-

ствлен с помощью критерия предпочтения. В других случаях, в особен-

ности в диапазоне КВЧ, этот выбор весьма узок, поэтому может слу-

читься, что по электрическим параметрам активные элементы удовлет-

воряют разработчика, а по условиям работы — не удовлетворяют. Тогда

конструктору предстоит обеспечить этим элементам нормальные усло-

вия функционирования за счет принятия соответствующих конструк-

тивных решений, например улучшение теплоотвода от мощных транзи-

сторов СВЧ введением брокеритовых вставок (разд. 3.5).

Анализ конструктивных аналогов и выбор прототипа выполняется с

целью представления конструктору образа будущего изделия и выбора

всего самого ценного из ранее сделанного в конструкции. В качестве

конструкторских аналогов в соответствии с ГОСТ 2.116-81 надо выби-

рать изделия, имеющие то же функциональное назначение и соответ-

ствующее лучшим отечественным и зарубежным аналогам. Из всех ана-

логов выбирают наиболее подходящий прототип, по функциональным

и материальным показателям которого можно рассчитать удельные ко-

эффициенты (разд. 1.1) и далее использовать их для оценочных расче-

тов масс и габаритов разрабатываемого изделия.

Выбор метода конструирования во многом определяется назначением и

условиями эксплуатации изделия. Как известно [10], одним из об-

щих методов конструирования является модульный (или базовый), ос-

нованный на принципах функциональной и размерной взаимозаменяе-

мости, схемной и конструктивной унификации. На его основе были

разработаны унифицированные функциональные узлы, микромодули,

ин-

тегральные схемы (разд. В.2), а с введением базовых несущих конструк-

ций (БНК) — многие конструкции современных ЭВМ, самолетных РЭС

и др. Этот метод может быть рекомендован для РЭС наземного исполь-

зования многоблочных конструкций. Иногда неправильно считают, что

»для бытовой радио- и электронной аппаратуры, такой как телевизион-

ные приемники и калькуляторы, этот метод наиболее приемлем с ис-

пользованием БНК. По-видимому, БНК тут ни при чем, а на первый

план должны быть выдвинуты требования эргономики и дизайна.

При конструировании бортовых РЭС, например ракетных, космиче-

ских, для которых предъявляются жесткие требования к массе, габари-

там и форме, отраслевая унификация вряд ли приемлема. Поэтому в

этих конструкциях наблюдается четко выраженная как схемная, так и

конструктивная специфика методов конструирования. Однако при вы-

боре компоновки можно различать два основных метода: блочный и

функционально-узловой (объемная и планарная компоновка). Для са-

молетных РЭС нетранспортной авиации характерна моноблочная ком-

поновка устройств по «разбросанному варианту» в пределах фюзеляжа,

а для транспортной авиации — в стойках по функционально-узловому

методу. Для ракетных РЭС практически всегда применим функцио-

нально-узловой метод с компоновкой в контейнерах, для космических

аппаратов — комбинированный. После выбора метода конструирова-

ния, зная состав каждого блока или устройства, инженеры-конструкто-

ры КБ выбирают варианты компоновочных схем ФЯ, а далее блоков и

компонуют их в общих несущих конструкциях. При этом разрабатыва-

ется эскизная проектная документация на изделия в виде сборочных

чертежей и спецификаций. При ее разработке учитываются ранее выяв-

ленные требования на условия эксплуатации, электромагнитную со-

вместимость, форму, массу, габариты и др.

Конструкторские расчеты позволяют получить ответ на следующие

вопросы: удовлетворяет ли разработанная конструкция требованиям

вибро- и ударопрочности, нормального теплового режима. Допустимых

массы, габарита, соответствует ли мировым стандартам по показате-

лям качества или нет. Если хотя бы по одному из параметров расчет не

подтверждает допустимой величины, то конструкция должна быть пере-

работана. Если же при расчетах выявляются чрезмерные запасы по пара-

метрам, то и в этом случае конструкция требует изменений, например

уменьшения массы за счет неоправданного увеличения ее жесткости.

Оптимизация (синтез) конструкции подразумевает выявление среди

группы показателей качества конструкции наиважнейшего — целевой

функции — и перевод всех остальных параметров в разряд ограничений

или условий. С помощью известных методов оптимизации определяют оп-

тимальное значение целевой функции и по ней корректируют все пара-

метры конструкции, после чего разрабатывают рабочую документацию.

Выбор элементной базы и материалов конструкций РЭС проводится

по критерию предпочтения [13]

=ΣΣ=

iii

Q ϕαϕ (3.1)

где т — число параметров компонента (материала);φ

— коэффици-

ент значимости («веса») i-ro параметра, i = 1,2, ...,m; a

,- — нормирован-

ный параметр компонента (материала).

Если рассматриваются по критерию предпочтения/ вариантов для

выбора из них предпочтительного, то значения критерия предпочтения

для каждого варианта оцениваются по формуле

=Σ=

iji

Q αϕ

(3.2)

где а

— нормированный параметр i относительно одного из выбран-

ных вариантов/ (или значения параметра заданного ТЗ на проектирова-

ние),a

= 1,2, ...,n.

Коэффициенты значимости определяются методом экспертных

оценок по результатам небольшой статистической совокупности дан-

ных, полученных путем опроса k специалистов данного профиля конст-

руирования конкретного класса РЭС. Известными способами обработ-

ки статистических данных определяют среднее значение φ

,. и средне-

квадратичное σ

φi

; при этом те значения φ

ik>

которые лежат за преде-

лами ± 3 σ

φi

, отбрасывают и снова определяют φ

,. которые и исполь-

зуют в дальнейших расчетах. Для нахождения нормированных значе-

ний параметров а

, вначале составляют матрицу

……..x

…………………………

| | X | |

……..x

…………………………

……..x

Где х

– справочныеданные на i-й параметр в j–ом варианте

Поскольку с увеличением одних параметров качество изделия улуч-

шается, а с увеличением других — ухудшается, то последние преобра-

зуются в обратные величины и составляется матрица

……..y

…………………………

| | Y | |

……..y

…………………………

……..y

в которой для первых параметров приняты у

=х

а для вторых (ухуд-

шающих качество) — у

= 1/х

При оценке сравнения вариантов по качеству можно остановиться

на этой второй матрице и по формуле (3.2), заменив у

на а

„, рассчи-

тать Q

,. Вариант, обладающий большим значением критерия качества,

будет предпочтительным. Можно также продолжить вычисления, вве-

дя матрицу

……..a

…………………………

| | A | |

……..a

…………………………

……..a

где a

, = (у

j max

,- у

) /у

j max

, , у

i max

, — максимальное значение параметра

i в матрице | | Y | | для j-го варианта (столбца матрицы).

Чем ближе y

, к у

j max

, тем ближе этот вариант к высокому качест-

ву, разность же (числитель) a

. будет меньше, следовательно, и само

значение Q

получится меньше. Поэтому предпочтительным вариантом

надо считать тот, у которого величина Q будет минимальной.

Пример 3.1. Пусть задано спроектировать ЭВМ, к которой предъяв-

ляются основные требования по минимально возможной массе т , вы-

соким быстродействию и надежности. Для серий логических ИС глав-

ными паспортными параметрами являются: 1

— время задержки сигна-

ла, и

пх

— напряжение помехи (уровень статической помехоустойчиво-

сти тем выше, чем больше это значение), P

) — потребляемая мощ-

ность (ток), п — коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная

способность), масса корпуса т

. В табл. 3.1 представлены исходные

данные для выбора предпочтительного варианта из нескольких серий

ИС, а также коэффициенты значимости параметров.

Таблица 3.1

Серия ИС t

, нс

пх

,мА т

, г

К155 11 0,4 11 ...50

1,2

К134 60 ... 100 0,3 (1... 3)10

-3

1,0

К531 5 0,5 30 1,0

К555 20 ... 35 0,5 4 1 ... 1,2

Ф,- 0,35 0,2 0,1 0,35

Запишем матрицу ||X||:

, и

пх

11 0.4 50 1.2

| | | X | |

100 0.3 3·10

-3

1.0

5 0.5 30 1.0

35 0.5 4 1.0

Далее составим матрицы ||Y||и||A||:

0.09 0.4 0.02 0.8

| | |

Y | |

0.01 0.3 333 1

0.2 0.5 3.33 1

0.03 0.5 0.25 1

0.55 0.2 1 0.8

| | |

A | |

0.95 0.4 0 0

0 0 0.99 0

0.85 0 0.999 0

Рассчитаем показатели Q для этих вариантов:

= 0,35• 0,55+ 0,2 • 0,2+0,1 • 1 + 0,35-0,2=0,4025,

= 0,35•0,95+ 0,2•0,4 = 0,4125,

= 0,1•0,99=0,099,

= 0,35 • 0,85 + 0,1 • 0,999 = 0,3974.

Таким образом, третий вариант (серия К531) — предпочтительнее.

Аналогичным образом можно выбирать материалы печатных плат,

корпусов, рамок, а также типы ЭРЭ, если среди многих их характери-

стик выбрать наиболее влияющие на качество РЭС, например на жест-

кость и прочность несущих конструкций, надежность, стабильность и

точность ЭРЭ и т.п.

3.2. Конструирование цифровых функциональных ячеек

и блоков на печатных платах

Конструкции цифровых РЭС, выполненные на печатных платах, от-

носятся к конструкциям III поколения, достоинства и недостатки кото-

рых были рассмотрены в разд. В. 2. Здесь же отметим основные осо-

бенности конструктивов ячеек и блоков этого поколения для цифровых

РЭС и связанные с ними правила конструирования.

Первой особенностью этих конструктивов является регулярность

компоновки, т.е. размещения основных базовых элементов конструк-

ции, например ИС, на несущей конструкции — печатной плате рядами

и столбцами, вызванная регулярностью построения самой схемы уст-

ройства. Такая же регулярность компоновки соблюдается и при разме-

щении ФЯ в блоки, а блоков — в стойки, шкафы и пульты.

Второй особенностью следует считать планарность формы основ-

ного типового элемента замены (ТЭЗ) — функциональной ячейки,

обусловленную применением корпусированных ИС широкого примене-

ния плоской прямоугольной формы (табл. 3.2).

Третья особенность таких конструктивов состоит в том, что они ис-

пользуются для создания цифровых РЭС, как правило, наземного при-

менения в виде многоблочных крупногабаритных устройств и комплек-

сов, например наземных ЭВМ. Это накладывает свой отпечаток на габа-

риты печатных плат (наиболее употребительными размерами их явля-

ются 170x75 мм и 170x200 мм, хотя в ряду рекомендуемых есть и мень-

шие размеры).

Четвертой особенностью конструктивов является наличие значи-

тельных тепловых напряженностей в них, поскольку в многоблочных

конструкциях общее число компактно расположенных микросхем мо-

жет достигать нескольких тысяч, что требует часто дополнительных

систем охлаждения, например принудительной вентиляции.

Наконец, пятой особенностью конструктивов являются требования

повышенной эксплуатационной взаимозаменяемости ТЭЗ, ремонтопри-

годности и технологичности конструкций, что приводит к необходимо-

• а