Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

– рассматривать взаимосвязь и взаимозависимость элементов внутренней

ивнешней среды объекта исследования;

–изучать элементы явлений или процессов с учётом их ретроспективы (как возникли, как развивались, к чему пришли);

–выделять элементы нижестоящего уровня, которые могут оказать влияние на всю систему, но при этом сосредоточивать внимание на главном, не углубляясь в детали.

Методология в самом общем смысле представляет собой учение об организации деятельности.

Под методологией проектирования будем понимать учение о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений о принципе действия и составе еще не существующего технического объекта (технической системы), наилучшим образом удовлетворяющего определенные потребности, а также составление описания, необходимого для его создания в заданных условиях [14].

В контекстенастоящегоучебногопособия методологией будем называть учение о способах и средствах организации деятельности по проектированию ТС, работа которых основана на физических принципах электроники и/или радиотехники.

Проектированиесистемотличается от улучшениясистемисходными посылками

ииспользуемыми методами (таблица 1.6) [27].

Таблица 1.6–Сравнениедвухметодологий изменений:улучшениясистеми проектирования систем

50

При улучшении системвозникающиевопросы связанысобеспечениемнормальной работы уже существующих систем. В то же время системный подход является в своей основе методологией проектирования систем. Поэтому при его использовании ставится под сомнение сам характер данной системы и её роль в рамках более широкой системы. И первый вопрос, который возникает при системном подходе, – это цель существования системы. При этом необходимо установить отношения между данной системой и всеми другими системами, в которые она входит или с которыми она связана.

1.1.6 Законы развития технических систем

Успешная творческая деятельность инженера невозможна без знания основных закономерностей развития техники. Скорость этого развития становится все больше за счетнакоплениязнаний иопыта,приобретенныхпредшествующими поколениями людей [28].

Качественный уровень техники определяется степенью познания законов природы. Поэтому электрический двигатель или трансформатор, изготовленные на российском или американском заводе, в принципе, неотличаются друг от друга. Однако на темпы и направления развития техники заметное влияние оказывают общественные экономические структуры.

Одной из важнейших закономерностей развития техники является историческая обусловленность важнейших открытий и изобретений, они, как правило, возможны только тогда, когда создаются объективные предпосылки, потребность общества в том или ином техническом объекте, с одной стороны, и возможность его создания, определяемая достижениями науки и техники, с другой стороны. Именно поэтому крупнейшие открытия и изобретения делались почти одновременно многими изобретателями и учёными в разных странах и независимо друг от друга.

Отсюда следует одна из важнейших закономерностей развития науки и техники – интернациональный характер выдающихся открытий и изобретений, который в свою очередь следует из объективных законов развития техники.

Если все важнейшие открытия и изобретения вызваны объективной необходимостью, то успешная деятельность выдающейся личности определяется тем, насколько овладела достижениями современной науки и техники, насколько она умеет видеть ростки нового и правильно оцениватьстарое. Но для этого необходимо знатьисториюважнейшихоткрытий иизобретений.Толькона конкретныхпримерах зарождения, развития и совершенствования каких-либо ТС можно познать диалектику научно-технического прогресса.

К примеру, поразительными были попытки Николы Теслы создать «летающий аппарат, управляемый по радио… на расстоянии тысячи

51

миль»6 (1900). Управляемые по радио корабли им уже были созданы. Но Тесла мечтал создать «автомат, обладавший каким-либо элементом, аналогичнымчеловеческому мозгу», который быосуществлял действие, как будто «имел знания, рассудок, суждения и опыт». Он даже демонстрировал свой аппарат в лаборатории, который «…вызвал сенсационные отклики. Но истинное значение этой новой техники было не понятобольшинством ине оцененогромадное значение егоосновного принципа». Это было поистине фантастическое изобретение, и понадобилосьцелоестолетие, чтобыпоявилисьсамонастраивающиеся, самообучающиеся быстродействующие интегральные логические микросхемы, электронные автоматы с памятью, микропроцессоры, осуществляющие мгновенную обработку и передачу информации, суперкомпьютеры, способные выполнять триллионы операций в секунду.

Если мы сравним телефон тридцатилетней давности с современными мобильными телефонами, топридем к выводу, чтопоследние– этоуженепростотелефоны, так как в них сегодня в среднем объединяются функции более тридцати других разнородных технических средств: телефона, фотоаппарата, радио, видеокамеры, телевизора, компьютера, будильника, электронной книги, часов, таймера, секундомера, фонарика, проектора, музыкального плеера, диктофона, интернет-маршрутизатора или роутера, электронного блокнота, электронного планировщика событий, ежедневника, игровой приставки, зарядного устройства или аккумулятора и т.д., и т.п. В свою очередь принтер объединился сосканером и ксероксом в многофункциональное устройство (МФУ) [29]. Измеритель пульса, шагомер, аудиоплеер и смартфон объединились с наручными часами и превратились в smart watch и т.д.

Все шире во всех областях человеческой деятельности используются лазерные инструменты вместо инструментов механических: лазерные скальпели, лазерные измерительные инструменты, лазерные принтеры, лазерные 3D-сканеры, лазерные прицелы, лазерные указки и т.д. Механические кнопки в сотовых телефонах заменяются на сенсорные. Механические компьютерные мыши практически исчезли, остались только оптические, причем всечащеиспользуются беспроводные. Странно, что в системных блоках компьютеров все еще используются механические вентиляторы для охлаждения и винчестеры с вращающимися дисками. Но уже наметилась тенденция и к их устранению. Вероятно, должны получить широкое распространение клавиатуры без механических клавиш, компьютерные мышки без механических кнопок. Уже созданы работающие виртуальные клавиатуры, в которых вообще нет никаких деталей. С помощью небольшого проектора изображение клавиш проецируется на поверхность стола.

Характеристики многих ТС, таких как компьютер, изменяются с огромной скоростью. Это происходит благодаря сокращению времени разработки, эксплуатационного периода ТС и повышению требований к свойствам систем. Значительно

6 Пророчество, сбывшееся спустя почти 100 лет и относящееся к современным радиоуправляемым беспилотным летательным аппаратам (БПЛА).

52

медленнее развивается автомобильный транспорт, авиация. В то же время существуют ТС, которые остаются неизменными в течение многих десятков и сотен лет. Практически не совершенствуются многие простые объекты, такие как нож, вилка, ложка, стакан, пила, молоток и так далее.

Почему так различаются темпы развития различных технических систем? Почему в нашей жизни появляются именно такие технические средства? Можно ли предсказать их появление? Где пределы развития ЭРЭС? Сейчас важно понимать процессы, происходящие в мире техники, а также роль человека в этих процессах. Насколько закономерно развитие техники, в какой степени личность изобретателя можетповлиятьна ходразвития(рисунок1.10)?Преждевсегоответы на эти вопросы необходимы инженерам, занимающимся созданием новых технических объектов и систем.

Строениеи развитиекаждогоТО и техники в целом подчиняются определённым законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качественные и количественные причинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом, а также на изменение во времени этих связей и отношений. Законы и закономерности по характеру и определенности описания объектов и явлений техники близки к законам и закономерностям, известным в биологии, физике и химии, таким образом, можно утверждать, что законы техники формулируются на уровне законов природы [15].

Закономерности строения и развития техники имеют отношение к ТО с одинаковой или близкими функциями, тогда как законы техники имеют отношение к любому ТО или ко многим классам ТО с различными (сильно отличающимися) функциями.

Кзаконам и закономерностям строения ТО будем относить устойчивые признаки в конструктивной и потоковой функциональной структуре, в физической структуре (ФПД) и технических решениях, которые существуют и остаются неизменными на протяжении многих поколений в историческом развитии ТО.

Кзаконам и закономерностям развития техники будем относить определенные устойчивые изменения какого-либо критерия развития (показателя качества) или ка- кого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на протяжении многих поколений ТО. Кроме того, должны иметь место законы развития, которые для многих классов ТО с различными функциями отражают одинаковые (аналогичные) изменения в конструктивной и потоковой функциональной структурах, в физической структуре и техническом решении.

С точки зрения уровней иерархии ЭРЭС их развитие определяется двумя путями:

а) совершенствованием электронной компонентной базы и появлением новых элементов принципиальных схем – восходящий путь развития;

б) открытием новых фундаментальных правил и законов обработки процессов (сигналов, шумов, их смесей и других процессов) – нисходящий путь развития.

53

Эволюция ТС по восходящему пути развития происходит следующим образом.

1.В области электроники, радиоэлектроники или радиотехники открывается новый физический эффект (ФЭ) или явление (ФЯ) или привлекаются известные ФЭ (ФЯ) из других отраслей науки и техники.

2.Эти ФЭ или ФЯ физически воплощаются в отдельных представителях ЭКБ.

3.На основе нового элемента строится новый функциональный узел.

4.Появлениеновогофункционального узла приводит к появлению новых структур ЭРЭС.

Эволюция ТС по нисходящему пути развития происходит следующим образом.

1.Для решения прикладных задач открывается новый математический способ преобразования процессов.

2.Математическая формула воплощается в функциональной структуре радиотехнической системы. При этомможносказать, чтоформульныепеременныев функциональной структуре представляют собой процессы, а операции над переменными – функциональные узлы.

Также необходимо отметить, что эволюцию программно-насыщенных ЭРЭС определяет и развитие их программного обеспечения.

В настоящее время идет процесс разработки и внедрения в производство пятого поколения электронной аппаратуры, который знаменуется бурным развитием твердотельной микроэлектроники – интегральной и функциональной электроники. Основополагающей идеей современной микроэлектроники является миниатюризация активных и пассивных элементов ИМС и их технологическая интеграция. При реализации этой идеи возникают серьёзные физические и технологические трудности и проблемы, в частности чрезмерное увеличение интеграции и уменьшение геометрических размеров элементов ИС приводит к существенному усложнению технологии, резкому повышению брака в производстве и снижению надежности

вэксплуатации. Значительный прорыв в этом направлении намечается в связи с последними достижениями в области наноэлектроники, однаков ближайшиегоды массовое производство микроэлектронных изделий будет базироваться на традиционной кремниевой технологии с ее огромными трудностями и проблемами [30].

Тем не менее уже в настоящее время многие функции, например селекция, фильтрация, задержка сигналов, запоминание и отображение информации и другие, могут быть реализованы проще, с высоким качеством и надежностью благодаря устройствам функциональной электроники (УФЭ). С применением УФЭ решается также проблема микроминиатюризации. Функциональная электроника как второе перспективноенаправлениетвердотельной электроники успешноразвивается параллельно с традиционной микроэлектроникой. Существует столь большое разнообразие физических явлений и динамических неоднородностей в твердых телах, что практически любая функция преобразования информации может моделироваться физическими процессами, протекающими в твердом теле при воздействии электрического или магнитного поля, внешнего излучения, температуры, механических деформаций и т.д.

55

Таким образом, проблемы повышения качества, надежности и функциональных возможностей электронной аппаратуры, а также микроминиатюризации могут и должны решаться путем комплексного применения устройств интегральной и функциональной электроники.

Следует особо отметить основные направления развития твердотельной электроники: направление интегральной электроники (микроэлектроники) и направление функциональной электроники. Оба направления развиваются параллельно, взаимно дополняя и обогащая друг друга.

Микроэлектроника основана на схемной радиотехнике с использованием статических неоднородностей (потенциальных барьеров) и технологической интеграции. Начало развития микроэлектроники положено американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном, В. Шокли, Р. Нойсом и Д. Килби в конце сороковых – начале пятидесятых годов ХХ века. Развитие современной микроэлектроники на основе комплекса конструкторских, технологических и схемотехнических методов достигло на своем традиционном пути интегральной электроники настолько высокого уровня технологической интеграции, что дальнейшее ее повышение встречает ряд принципиальных физических и технологических ограничений. К технологическим ограничениям следует отнести существенное снижение процента выхода годных приборных структур; значительное увеличение площади монокристалла, занимаемой межсоединениями; повышениестоимости процессов и оборудования. Уменьшение топологических размеров приводит к физическим ограничениям: возрастает удельная рассеиваемая мощность, увеличивается падение напряжения на межсоединениях малого сечения, возникает проблема пробивных напряжений, усиливается влияние электропереноса, возрастает роль эффектов туннелирования и просачивания электронов. Все эти ограничения приводят в конечном итоге к уменьшению надежности электронных микроминиатюрных систем [30].

Функциональная электроника получила развитиезначительнопозжемикроэлектроники и практически является ее логическим продолжением. Функциональная электроника основана на принципах физического моделирования и физической интеграции динамических неоднородностей, возникающих в твердом теле в процессе эксплуатации электронной системы. В отличие от интегральной электроники она свободна от указанных выше недостатков.

Основныенаправленияразвитияфункциональной электроники представлены на рисунке 1.11 [30].

В последние десятилетия наиболее активно развиваются оптоэлектронные, акустоэлектронные, диэлектрические и магнитоэлектронные функциональные устройства. На их основе разработаны устройства селекции и временной задержки сигналов, запоминающие устройства, устройства отображения информации, формирователи видеосигналов, функциональные генераторы и другие устройства. Обнадеживающие результаты получены в области квантовой электроники, криоэлектроники и биоэлектроники. Дальнейший прогресс в создании сложных систем приема, передачи и обработки больших массивов информации, устройств пространственно-

56

временной обработки сигналов, фильтров фазовой и частотной модуляции радиосигналов, генераторов сигналов и других сложных функциональных устройств в значительной степени будет обусловлен развитием и внедрением устройств функциональной электроники.

Рисунок 1.11 – Схема развития функциональной электроники

Научным фундаментом функциональной электроники является физика твердого тела. Физические процессы и взаимодействие в твердом теле моделируют разнообразные функции передачи информации. Функциональную электронику как логическое прикладное развитие физики твердого тела питают и обогащают закономерности магнитных и оптических явлений, акустооптических и акустоэлектрических

57

взаимодействий, фазовых переходов, сверхпроводимости и других процессов, протекающих в твердых телах. Принцип технологической интеграции дискретных базовых радиокомпонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.д.) обеспечил триумф интегральной электроники – микроэлектроники, однако он же привел к ограничению пределов интеграции микросхем. Дальнейшее развитие твердотельной электроники параллельнос микроэлектроникой, переходящей в наноэлектронику, идет в направлении функциональной электроники, основанной на физической интеграции различных процессов и явлений в твердом теле [30].

На рисунке 1.12 показаны примеры линий эволюции некоторых ЭРЭС [31].

Рисунок 1.12 – Линии эволюции некоторых ЭРЭС

Техника развивается в тесном взаимодействии собщественным развитием и экосферой, вследствие чего наблюдается значительное взаимопроникновение и взаимовлияниезаконов развитияобщества, природы и техники.Развитиепоследней вомногом зависит от потребностей общества и влияет на состояние природы [32].

Вобщем виде система законов техники имеет уровни потребностей, функций

исистем (таблица 1.6).

Эволюция потребностей определяется законами непрерывного возрастания потребностей людей и законом лености (минимизации усилий).

58

Таблица 1.6 – Законы развития систем

Закон непрерывного возрастания потребностей людей и неугасимого любопытства выражается в том, что после удовлетворения очередной потребности у каждого человека появляется новоежелание, причем получить нетолькобольше, нои лучше. Желание не даёт довольствоваться уже достигнутым и заставляет совершенствовать окружающие нас объекты и, как следствие, совершенствоваться нам самим (больше трудиться, обучаться чему-то новому, размышлять). Стоит отметить, что тенденция развития потребностей указывает на переход от удовлетворения физиологических потребностей к удовлетворению эмоционально-психологических, которым и следует уделять больше внимания при создании объектов с высокими потребительскими свойствами.

Закон действует в условиях, когда физическиеи иныевозможности человека (но не интеллектуальные) ограничены, и чем сложнее обстоятельства, тем эффективнее результат.

Закон лености (минимизации усилий) обусловлен тем, что человек всегда стремился к минимизации усилий на обслуживание своих потребностей (физических усилий, работы органов чувств, мыслительной деятельности и т.д.). Эта своеобразная «лень» так стимулирует человека, что заставляет его напрягать все свои усилия и, преждевсегоинтеллектуальные, для создания устройств, облегчающих, а в идеале и исключающих его собственный труд. Поэтому, как только у человека возникает какая-либо потребность, он ищет пути её удовлетворения наиболее простым способом, а связанные с этой потребностью устройства совершенствуются до их полной автоматизации либо максимально простого обслуживания (обычно в соответствии с законом стадийного развития).

Закономерности развития функций связаны с закономерностями развития потребностей, но имеют свою специфику. Например, переход систем к многофункциональности (универсальности) или, наоборот, к однофункциональности (специализации).

Законы развития ТС можно разделить на две группы (рисунок 1.13): законы организации систем, определяющие их жизнеспособность, и законы эволюции систем, определяющие развитие ТС.

Проектирование как деятельность, направленная на создание реальных предметов, основывается на объективных законах природы. И качество создаваемых объектов зависит от степени познания и следования этим законам. С другой стороны, участие в проектировании человека вызывает потребность в знании законов наук, изучающих мышление человека, принципы его деятельности.

59