Сарафанов А.В. Компьютерные технологии в приборостроении

Подождите немного. Документ загружается.

Приложение к лабораторному практикуму

Приложение к комплексу

КОМПЬЮТЕРНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ВПРИБОРОСТРОЕНИИ

Контрольно-измерительные материалы

Учебная программа дисциплины

Учебное пособие «Компьютерные технологии

в приборостроении. Основы математического

и методического обеспечения»

Учебное пособие «Основы применения CALS-технологий

в электронном приборостроении»

Учебное пособие «Автоматизация проектирования РЭС.

Топологическое проектирование печатных плат»

Учебное пособие «Основы проектирования

электронных средств: Техническое задание.

Формирование и анализ»

Лабораторный практикум

Методические указания по самостоятельной работе

Методические указания по курсовому проектированию

Красноярск

ИПК СФУ

2008

Электронный

учебно-методический комплекс

УДК 681.2:004.9

ББК 34.9

К63

Авторы:

А. В. Сарафанов, Н. М. Егоров, С. И. Трегубов, В. А. Комаров, А. А. Трухин

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении» подготов-

лен в рамках инновационной образовательной программы «Информатизация и автоматизированные системы управления», реали-

зованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дис-

циплин

К63 Компьютерные технологии в приборостроении. Версия 1.0 [Электронный

ресурс] : лаб. практикум / А. В. Сарафанов, Н. М. Егоров, С. И. Трегубов и др. –

Электрон. дан. (1 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Компьютерные тех-

нологии в приборостроении : УМКД № 49-2007 / рук. творч. коллектива

А. В. Сарафанов). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel

Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб

оперативной памяти ; 15 Мб свободного дискового пространства ; привод

DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32

бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата

pdf).

ISBN 978-5-7638-0866-7 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1352-4 (лабораторного практикума)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802720

от 19.12.2008 г. (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Компьютерные технологии в приборо-

строении», включающего учебную программу, учебное пособие «Компьютерные технологии в приборостроении. Основы математического и мето-

дического обеспечения», учебное пособие «Основы применения CALS-технологий в электронном приборостроении», учебное пособие «Автомати-

зация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат», учебное пособие «Основы проектирования электронных средств:

Техническое задание. Формирование и анализ», приложение к лабораторному практикуму (демоверсия системы OrCAD, файлы проектов для сис-

темы OrCAD, варианты заданий к ряду лабораторных работ, интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Тракт усиления зву-

ковой частоты», интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Электроника», демоверсия программного комплекса ТРиАНА,

справочник «Интенсивности отказов ЭРЭ»), методические указания по курсовому проектированию, методические указания по самостоятельной ра-

боте, контрольно-измерительные материалы (банк тестовых заданий и перечень вопросов, выносимых на экзамен) и презентационные материалы,

приложение к комплексу (программа оптимизации размещения элементов на монтажном пространстве методом попарных перестановок по крите-

рию минимума суммарной длины сигнальных связей, программа оптимизации разбиения схемы электрической на части, выполняемые на отдель-

ных конструктивах, видеофрагмент «Резонансные явления в электронной аппаратуре»).

Рассмотрены вопросы моделирования средствами системы OrCAD электрических процессов в приборах и системах, в том числе на уровне

макромоделей; создания виртуальных измерительных приборов на основе технологий National Instruments; проектирования печатных плат при по-

мощи системы ALTIUM DESIGNER; моделирования тепловых режимов в приборах и системах и анализа показателей их надежности; создания

трехмерных моделей средствами системы SolidWorks как отдельных деталей и узлов, так и конструкции приборов и систем в целом; освоения ос-

новных методологических аспектов CALS-технологий.

Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 200100.62 «Приборостроение» укрупненной группы 200000 «Приборо-

строение и оптотехника».

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ

в качестве учебного пособия

Редактор Я. Н. Лысь

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-

аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного про-

дукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрирован-

ными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 01.09.2008

Объем 1 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -3-

ВВЕДЕНИЕ ................................................................. 7



1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПРИБОРОВ И СИСТЕМ ............................................ 8



Лабораторная работа № 1 Анализ схемы электрической

принципиальной прибора при различных режимах работы ............... 8



Цель лабораторной работы ....................................................................................... 8

Задачи лабораторной работы ................................................................................... 8

Краткие теоретические сведения .............................................................................. 8

Задание для выполнения лабораторной работы .................................................. 8

Порядок выполнения лабораторной работы ......................................................... 9

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 10

Контрольные вопросы .............................................................................................. 11

Лабораторная работа № 2 Разработка макромодели

функционального узла прибора .............................................................. 11



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 11

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 11

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 12

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 12

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 12

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 12

Контрольные вопросы .............................................................................................. 13

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ .............................. 14



Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами,

разработанными с применением технологий National Instruments . 14



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 14

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 14

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 14

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 21

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 23

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 24

Контрольные вопросы .............................................................................................. 24

Лабораторная работа № 4 Разработка виртуального измерительного

прибора с применением технологий National Instruments ................. 24



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 24

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 25

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 25

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 25

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 27

ОГЛАВЛЕНИЕ



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -4-

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 33

Контрольные вопросы .............................................................................................. 34

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ............. 35

Лабораторная работа № 5 Создание проекта в системе ALTIUM

DESIGNER ..................................................................................................... 35



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 35

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 35

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 35

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 37

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 37

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 48

Контрольные вопросы .............................................................................................. 48

Лабораторная работа № 6 Формирование проекта печатной платы в

редакторе печатных плат PCB Layout Editor ......................................... 48



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 48

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 48

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 49

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 52

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 64

Контрольные вопросы .............................................................................................. 64

Лабораторная работа № 7 Размещение компонентов и трассировка

печатного монтажа ..................................................................................... 64



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 64

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 64

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 65

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 65

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 65

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 76

Контрольные вопросы .............................................................................................. 76

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ . 77

Лабораторная работа № 8 Моделирование теплового режима

прибора в целом ......................................................................................... 77



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 77

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 77

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 77

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 77

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 77

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 81

Контрольные вопросы .............................................................................................. 81

Лабораторная работа № 9 Моделирование теплового режима

печатного узла ............................................................................................ 81



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 81

ОГЛАВЛЕНИЕ



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -5-

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 82

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 82

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 82

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 82

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 86

Контрольные вопросы .............................................................................................. 87

Лабораторная работа № 10 Анализ показателей надежности прибора

........................................................................................................................ 87



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 87

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 87

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 87

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 88

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 88

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ........................... 88

Контрольные вопросы .............................................................................................. 89

5. СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕТАЛЕЙ

И УЗЛОВ ПРИБОРА ................................................ 90



Лабораторная работа № 11 Разработка трехмерных моделей

конструктивных узлов и элементов прибора ....................................... 90



Цель лабораторной работы ..................................................................................... 90

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 90

Краткие теоретические сведения ............................................................................ 90

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 90

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 90

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ......................... 102

Контрольные вопросы ............................................................................................ 102

Лабораторная работа № 12 Разработка 3D-модели сборки прибора

...................................................................................................................... 102



Цель лабораторной работы ................................................................................... 102

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 102

Краткие теоретические сведения .......................................................................... 103

Задание для выполнения лабораторной работы .............................................. 103

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 103

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ......................... 114

Контрольные вопросы ............................................................................................ 114

CALS

-ТЕХНОЛОГИИ ........................................... 115

Задания для лабораторных работ №13–15 ......................................................... 115

Лабораторная работа № 13 Разработка электронного архива ........ 116

Цель лабораторной работы ................................................................................... 116

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 116

Краткие теоретические сведения .......................................................................... 116

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 118

ОГЛАВЛЕНИЕ



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -6-

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ......................... 132

Контрольные вопросы ............................................................................................ 132

Лабораторная работа № 14 Разработка шаблона процесса

проектирования прибора ........................................................................ 132



Цель лабораторной работы ................................................................................... 132

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 132

Краткие теоретические сведения .......................................................................... 133

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 134

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ......................... 138

Контрольные вопросы ............................................................................................ 138

Лабораторная работа № 15 Разработка интерактивного электронного

технического руководства ...................................................................... 138



Цель лабораторной работы ................................................................................... 138

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 138

Краткие теоретические сведения .......................................................................... 139

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 140

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе ......................... 154

Контрольные вопросы ............................................................................................ 154

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................ 155

Приложение 1 ....................................................... 157

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРИБОРА В СИСТЕМЕ

ORCAD

............................ 157

1. Исходная информация для моделирования ................................... 157

2. Параметры математических моделей .............................................. 160

Модель резистора .................................................................................................... 160

Модель конденсатора .............................................................................................. 160

Модель индуктивности ........................................................................................... 160

Модель биполярного транзистора ........................................................................ 161

Модель операционного усилителя ....................................................................... 165

3. Проведение моделирования .............................................................. 169

Анализ режима работы по постоянному току .................................................... 169

Анализ параметров устройства во временной области .................................. 172

Анализ параметров устройства в частотной области ...................................... 174

Учет влияния технологического разброса и температурной зависимости . 177

Статистический анализ по методу Монте-Карло ................................................ 180

Анализ влияния температурной зависимости ................................................... 184

Приложение 2 ....................................................... 186

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПС И

ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ ............................... 186



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -7-

Применение компьютерных технологий при разработке приборов и

систем (ПС) является определяющим фактором формирования конкуренто-

способности и качества. В этой связи актуальной задачей является закрепле-

ние студентами теоретических знаний и приобретение навыков в применении

стандартных или общеизвестных в практике разработки ПС программ и сис-

тем [1

], а также унифицированных методик, построенных на их основе и

ориентированных на выполнение отдельных проектных задач или их сово-

купности.

Исходя из вышеизложенного, рассмотренные в данной книге циклы ла-

бораторных работ охватывают как начальные этапы создания ПС на уровне

функциональной и электрической схем [3

], разработки виртуальных измери-

тельных приборов, так и этапы моделирования физических процессов, а так-

же создания электронного архива конструкторской документации, моделиро-

вания бизнес-процессов и разработки интерактивных электронных техниче-

ских руководств (ИЭТР).

Первая глава книги посвящена вопросам схемотехнического анализа

ПС, включая вопросы разработки макромоделей функциональных узлов ПС.

Задачи анализа и обеспечения электрических характеристик ПС в лаборатор-

ных работ

ах выполняются при помощи системы OrCAD [4

; 5].

Во второй главе рассматриваются вопросы применения современных

компьютерных измерительных технологий (технологий National Instruments [9

]),

используемых для разработки ПС в виде аппаратно-программных комплек-

сов, обеспечивающих реализацию физических измерений в режиме удален-

ного доступа по сетям Internet/Intranet.

В третьей главе приведен комплекс лабораторных работ, связанных с

топологическим проектированием печатных плат в системе ALTIUM

DESGNER [13

Четвертая глава содержит лабораторные работы по моделированию те-

пловых режимов ПС и анализу показателей надежности, реализуемых сред-

ствами ПК ТРиАНА и подсистемы АСОНИКА-К [14

; 15].

В пятой главе рассматриваются вопросы освоения методов трехмерной

графики для создания 3D-моделей узлов и отдельных элементов ПС и проек-

тирования на их основе 3D-сборки ПС средствами системы SolidWorks [16

Шестая глава посвящена вопросам применения CALS-технологий в

процессе разработки и эксплуатации ПС и содержит лабораторные работы,

связанные с формированием электронного архива конструкторской докумен-

тации, описанием бизнес-процессов (построение функциональных моделей

типовых методик) и разработкой ИЭТР [17



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -8-

№

Целью лабораторн

ой работы является закрепление теоретических зна-

ний в области математического моделирования электрических характе-

ристик ПС.

К за

дачам лабораторной работы относятся:

• освоение методик исследования различных электрических режи-

мов работы ПС средствами математического моделирования на ПЭВМ;

• приобретение навыков выполнения проектных задач при помощи

стандартн

ых средств компьютерного проектирования.

Свед

ения о математических моделях ЭРЭ изложены в [3

; 4, с. 290–347;

5, с. 230–239

; 21, с. 37–73].

Методики исследования электрических характеристик ПС на ПЭВМ

рассматриваются в [4, с. 190–200

; 20, с. 138–143; 21].

Принципы работы с системой схемотехнического проектирования

электронных схем приборов OrCAD изложены в [4

; 5].

Пример исследования электрических характеристик устройства при

помощи системы OrCAD приведен в приложении.

В качеств

е исходных данных преподавателем выдается студенту схема

электрическая принципиальная прибора, перечень электроради

оэлементов

(ЭРЭ), а также требования технического задания к выходным характеристи-

кам исследуемого прибора и условиям его эксплуатации. В ряде случаев до-

пускается выдача преподавателем студенту эквивалентной схемы замещения

схемы электрической принципиальной и соответствующего файла, созданно-

го в системе схемотехнического проектирования OrCAD.

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Лабораторная работа № 1 Анализ схемы электрической принципиальной прибора при различных режимах работы



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -9-

1. Исходя из требований технического задания к выходным характери-

стикам исследуемого прибора, а также особенностей функционирования

прибора, выбирать одну из методик анализа электрических характеристик

прибора.

2. При по

мощи системы схемотехнического проектирования OrCAD

сформировать эквивалентную схему замещения схемы электрической прин-

ципиальной прибора и выполнить описание ее параметров.

3. В соответствии с выбранной методикой выполнить исследование

электрических характеристик прибора (см. прил. 1

). В процессе исследова-

ний необходимо получить матрицу относительных функций параметриче-

ской чувствительности (ФПЧ)

S , используемую для процедуры «Принятие

решения» и выбора элементов [21, С. 82–83

4. В случае необеспечения требований технического задания вырабо-

тать рекомендации по корректировке технического задания, параметров ЭРЭ

или схемы прибора и выполнить повторные исследования электрических ха-

рактеристик прибора на ПЭВМ.

5. Рассчитать коэффициенты электрической нагрузки (для всех режи-

мов работы схемы прибора) в соответствии с табл. 1.1

и 1.2. В случае полу-

чения неудовлетворительных результатов выработать рекомендации и вы-

полнить повторные исследования электрических характеристик прибора на

ПЭВМ.

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Лабораторная работа № 1 Анализ схемы электрической принципиальной прибора при различных режимах работы



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -10-

Таблица 1.1

Коэффициенты электрической нагрузки ЭРЭ

Наименование

элемента

Рассчитываемый параметр

Коэффициент

нагрузки k

Пояснение

1 2 3 4

Резистор

Рассеиваемая мощность (Р) Р

раб

/Р

доп

Индекс «раб»

обозначает зна-

чение парамет-

ра в рабочем

режиме, а ин-

декс «доп» –

допустимое

(по техниче-

ским условиям)

значение пара-

метра ЭРЭ

Конденсатор

Напряжение на обкладках (U) U

раб

доп

Трансформатор

Ток нагрузки (I

) I

н.раб

н.доп

Диод,

тиристор

Прямой ток (I

или обратное напряжение (U

или мощность (Р

)

п.раб

п.доп

о.раб

о.доп

д.раб

/Р

д.доп

Транзистор

Рассеиваемая мощность

на коллекторе (Р

)

или напряжение

на электродах (U

кэ

)

к.раб

/Р

к.доп

кэ.раб

кэ.доп

Микросхема

Максимальный выходной ток

в max

), входной ток микросхем,

включенных на выходе (I

в xi

);

число нагруженных входов (n)

в max

∑

Разъем, реле Ток коммутации (I) I

раб

доп

Таблица 1.2

Рекомендуемые значения коэффициентов электрической нагрузки ЭРЭ k

Наименование

элемента

Значение k

в режимах

Пояснение

импульсном статическом

Резистор 0,8 0,7 –

Конденсатор 0,7 0,4 –

Трансформатор 0,9 0,8 –

Диод, тиристор

0,8

0,5

по I

по U

Транзистор

0,6

0,8

0,3

0,5

по P

по U

кэ

Разъем, реле 0,8 0,5

–

Отчет должен быть подготовлен в виде файла, сформированного в ре-

дакторе MS Word, и содержать следующие обязательные разделы: цель и за-

дачи лабораторной работы, задание для выполнения лабораторной работы,

краткую информацию о порядке выполнения лабораторн

ой работы, описание