Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

Расчет первичных и вторичных параметров печатного монтажа для односторонних печатных плат может быть проведен на основе справочных формул [35], полученных методом конформных преобразований (табл. 7.6). При этом система проводников заменяется плоскопараллельной системой бесконечно тонких пластин.

Таблица 7.6

где εrэф — эффективная диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов; Сl — коэффициент, определяющий емкость на единицу длины рассчитываемой системы проводников; l — длина системы проводников, м.

При определении ε rэф для одно- и двухсторонних плат необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость основания платы ε госн = 5,6...6, лакового покрытия εглак = 4 и воздуха ег = 1. Точный учет

всех составляющих εr эф,., осуществить трудно, но в любом случае εгэф определяется неравенством ε r0 < εr эф < ε r осн.

Методика расчета электрической емкости линии связи в печатном монтаже с помощью формулы (7.8) сводится к следующим этапам:

1. Вычисление модулей k и дополнительных модулей k' полных эллиптических интегралов первого рода К, К'. Модуль k определяется

293

геометрическими размерами расчетного сечения, и выражения для определения k, К, К' приводятся в справочных таблицах, а дополнительный модуль k' определяется из соотношения

k'= 1− k 2

2.Определение модулярного угла α= arcsin k: и дополнительного модулярного угла 90° α' = arcsin k:'.

3.Определение эллиптических интегралов К и К' как функции соответственно модулярного и дополнительного модулярного углов по таблицам полных эллиптических интегралов первого рода, приведенным, например, в [35].

4.Вычисление Cl=f(K,K") по соотношениям, приведенным в

справочных таблицах и связывающим геометрические параметры сечения линии и коэффициент С l.

Вбольшинстве случаев при вычислении Сl; приходится вычислять

К/К' или К' /К. Для упрощения расчетов их можно определить по графику (рис. 7.7) как функцию параметра m. При вычислении параметра m ' по выражениям, приведенным в табл. 7.6, необходимо вычис-

лить ряд вспомогательных коэффициентов t1,t2,t3,q1,q2, по следующим формулам [35]:

Значения ti,- по вычисленным λi, можно определить из графика (рис. 7.8).

Для элементов печатного монтажа двухсторонних печатных плат расчет емкости может быть проведен по формулам, представленным в табл. 7.7, а эффективная диэлектрическая проницаемость —: по вспомогательному графику (рис. 7.9), где п — доля воздушной среды в общем объеме диэлектрической среды линии связи.

В многослойных печатных платах линии связи организуются в виде несимметричных линий в наружных слоях платы (см. табл. 7.7, п. 2) и симметричных линий во внутренних слоях платы (рис. 7.10).

294

Для симметричных линий коэффициент С1 при t = 0 рассчитывается по формуле Сl = 4К/К', а параметр т — по формуле m = th2(πa/2h).

Эффективная диэлектрическая проницаемость равна диэлектрической проницаемости материала оснований слоев платы.

Платы с тонкопроволочным монтажом (ТПМ) применяют при изготовлении малых партий изделий небольших размеров с хорошими высокочастотными характеристиками печатных плат, т.е. по степени интеграции микроэлектронных устройств они могли бы успешно конкурировать с МПП. Конструкции плат с ТПМ и плат стежкового монтажа реализуются с помощью автоматизированной укладки изолированного провода на основании.

295

ниц раздела этих диэлектриков. Поперечное сечение линии связи в ТПМ показано на рис. 7.11,а. Для упрощенной модели линии (рис. 7.11,6) расчеты могут быть проведены с использованием графиков ε гэф =f( r/h), представленных на рис. 7.12, на котором кривые 1-3 соответствуют вариантам б, в, и, г, на рис. 7.11 при ε r ад=5. Коэффициент Сl рассчитывается по формуле

Сl = 2π/1п(2h/r) при 2h/r>3,

а емкость линии — по формуле (7.8). Волновое сопротивление линий ТПМ определяется по формуле

Z = 17,08 + 34,83 ln (h /r), 0,01 ≤ r/h ≤ 0,3.

Для двухстороннего стержневого монтажа коэффициент Сl рассчитывается по формуле

Сl = 2π/1п(1,27+h/2r), h/r>2;

диэлектрик линии принимается однородным, и тогда емкость на единицу длины линии С/l= 17,7πεr/lπ( 1,27+h/2r) пФ/м, индуктивность на единицу длины линии L/l= |μ ln( 1,27+h /2г )/2π Гн/м, волновое сопротивление

Z = 60 ln (1,27+h/2r)/√εr ОМ

7.6. Конструирование электрических соединений

Основными методами выполнения электрических соединений являются следующие: пайка, сварка, накрутка и обжатие, соединение токопроводящими клеями, сравнительные характеристики и параметры которых приведены в табл. 7.8.

Таблица 7.9

Окончание табл. 7.9

Примечание. На схемах позициями 5,12 и 14 соответственно обозначены места коммутационных переходов от ячейки к пакету ячеек, несущие основания пакета ячеек и одной из них.

Конструкции электрических соединений во многом определяются элементной базой, диапазоном частот, структурным уровнем сборки и условиями эксплуатации, а также условиями экономичности и производительности.

Конструкции всех электрических соединений можно рассматривать как по структурным уровням аналогично структурным уровням РЭС [37], так и в последовательности их конструктивно-технологического ислолнения.

Производство и конструкция РЭС упростятся, если в конструкции будет использовано минимальное число уровней соединений при минимуме различных вариантов конструктивно-технологического исполнения соединений. В табл. 7.9 показаны эскизы четырех схем компоновки РЭС с рассмотрением их уровней соединений. Основные показатели конструкций блоков сведены в табл. 7.10.

Таблица 7.10

Приведенные схемы были использованы при реализации блока на 800 микросхем (ИС) с размерами ячеек по длине и ширине 95x78 мм [36]. Анализ данных табл. 7.10 позволяет сделать вывод, что схемы II и IV обеспечивают наименьшие габариты и удельную массу электрических соединений.

8.ВОПРОСЫ ЭРГОНОМИКИ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС

8.1.Человекомашинные системы, их классификация и свойства

Термин «эргономика» (греч. ergon — работа, nomos — закон) обозначает науку о взаимодействии человека-оператора с машиной и средой, объединенных в единую человекомашинную (эргатическую) систему. Эргономика возникла на стыке технических наук, психологии, физиологии и гигиены труда. Инженерная психология ставит своей целью комплексное проектирование внешних и внутренних средств де-

300

ятельности человека-оператора.Художественное конструирование

подразумевает использование основных законов эргономики и технической эстетики при разработке конструкций. Инженерная психология и художественное конструирование являются составными частями эргономики — общего научного направления многопланового характера.

Важнейший вопрос проектирования человекомашинных систем — это строго научное разделение функций между оператором и машиной в будущей системе. Этого не может сделать ни психолог, ни физиолог,ни гигиенист, поскольку они не знают свойств машин и требуемых характеристик всей системы. Это обязан сделать конструктор-разработчик, обладающий знаниями эргономики, знающий возможности оператора в системе, уровень современной автоматики и реализующий общие требования на систему.

Убедительным примером необходимости развития этой науки в области радиотехники и конструирования РЭС является тот факт, что сравнительный анализ существующих американских ракетных систем показал, что ошибки человека-оператора составляют 20...53% всех отказов в системе. Нетрудно уяснить, какую роль играет человек-оператор в современных системах контроля и производства. Поэтому изучение возможностей человека-оператора в замкнутой эргатической системе и согласование его аппарата восприятия с РЭС для оптимизации основной целевой функции системы является не «модой», а такой же необходимой задачей, как и само проектирование технических средств.

В общее понятие «система» входит совокупность элементов, взаимосвязанные функции которых координированы для выполнения некоторой общей задачи. Человекомашинная система (ЧМС) — это система,содержащая качественно разнородные компоненты — человека и технические средства. Такие системы чрезвычайно разнообразны и иерархичны. Например, система «командир корабля (первый пилот) — приборы, органы управления

— самолет» и система «штурман — радист —радиоаппаратура самолета» находятся во взаимосвязи, но и подчинены более сложной системе «самолет, выполняющий задание», которую обслуживают ряд наземных систем и компонентов, являющихся также эргатическими системами.

В настоящее время системы «человек-машина» в связи с развитием технических средств все более превращаются из систем контроля в системы управления, в которых человек-оператор занимает доминирующее положение. Можно привести несколько примеров моделирования как человека-оператора в ЧМС, так и самих систем в целом. Например,для системы управления предлагается одна схема (рис. 8.1,а), а для системы обнаружения, контроля — другая схема (рис. 8.1,6). Весьма часто

301

Рис. 8.1. Схематическое представление ЧМС:

а — системы управления; б — системы контроля

проводится аналогия между эрратической системой и сервосистемой.Сервосистема — это тип следящей замкнутой электромеханической системы, где на выходе воспроизводится измененная определенным образом входная величина.

Классификация ЧМС может быть проведена по ряду признаков. По основной целевой функции они делятся на контрольные, управления,поисковые, восстанавливающие, обучающие системы. В случае контрольной системы (см. рис. 8.1,6) выходные сигналы оператора можно вводить в наблюдаемую им систему. Оператор здесь включен в систему «как бы параллельно ей» (хотя по схеме рисунка это выглядит последо-

302