aaaГОСЫ / Ширяев Лекции

1

1. Введение

Конструкция – совокупность элементов и механических соединенных элементов, в которых реализуется электронная схема данной системы.

Исходными данными для конструктора являются:

Схема электрическая принципиальная

Техническое задание на разработку конструкции

Конструктор должен определить:

Форму

Выбрать материалы

Рассчитать размеры конструктивного узла

Способы механического и электрического соединения входящих в конструкцию элементов

Обеспечить помехоустойчивость

Тепловой режим

Защиту от внешних дестабилизирующих факторов

Существует 3 основных этапа конструирования РЭА:

1)Схемотехническое проектирование

Разработка схемы электрической принципиальной

Разработка топологии печатных плат, входящих в конструкцию на основе принципиальных схем

2)Конструкторский этап

Разработка конструкторской документации (КД) на несущие конструкции, обеспечивающие конфигурацию проектируемого нами конструкторского узла

3)Технологический этап

Разработка КД на технологическую оснастку, позволяющую обеспечить конструирование по п.1 и 2 конструкций

2

2. История конструирования РЭА

Конструирование РЭА началось с изобретением радио, где конструкция представляла обычный деревянный ящик, на стенках которого размещались схемы электрические принципиальные элементов.

Сизобретением электронной лампы по мере увеличения коэффициента усиления возрастала роль экранирования, поэтому в конце 20-х годов получились металлические массы.

В конце 30-х годов, где начали применяться усилители в телефонии, в это время была принята традиция конструирования РЭА в виде стоек – вертикальная рама с расположенными друг над другом электрическими блоками.

С40-х годов электронная аппаратура из помещения переходит в полевые условия (танки, самолеты), возникает потребность защиты РЭА от внешних дестабилизирующих факторов – удар и вибрация.

В 50-х годах появляется печатный электронный монтаж, но все элементы навесные. Главной трудностью проектирования являлось обеспечение теплофизических параметров (обеспечение нормального теплового режима).

Изобретение в 1948 году транзистора вывело понятие РЭА на уровень 2-го поколения.

В начале 1960-х годов появились цифровые методы обработки сигналов, что дало толчек к развитию микроэлектроники и производству ИМС.

5 степеней интеграции ИМС:

1 – до 10 элементов и компонентов

2 – 10 – 100

3 – 100 – 1000

4 – 1000 – 10 000

5 – 10 000 – 100 000

РЭА, построенные на ИМС 1-й и 2-й степеням интеграции относятся к аппаратуре 3-го поколения, что имело место в начале 70-х годов.

РЭА, построенные на ИМС 3-й и 4-й степеням – 4-го поколения. РАЭ, построенные на ИМС 5-й степени – 5-го поколения.

3

3. Основные функции конструкций РЭА

Конструктивное исполнение РЭА определяется условиями эксплуатации, объектом размещения, схемотехнической и конструкторской базами.

По условиям эксплуатации и объектам размещения РЭА делятся на группы:

Стационарная

Подвижная

Стационарная РЭА – для работы в определенном наземном пункте. Подвижная – для работы во время движения и остановок. 3 группы:

1)бортовая – для установки на транспортных средствах и других движущихся объектах относительно земли

2)носимая – имеющая собственный источник питания, предназначена для работы при переноске

3)переносимая – имеющая собственный источник питания и предназначена для работы во время остановок или перевозимая в нерабочем состоянии.

4.Конструктивно-технологические и эксплуатационные требования

кконструкциям РЭА

Все факторы окружающей среды, действующие на РЭА, можно разделить на:

климатические

механические

радиационные

Климатические факторы окружающей среды характеризуются влиянием на РЭА температуры, повышенной влажности, изменением атмосферного давления, присутствием песка или пыли.

К механическим воздействиям относят вибрации, удары, линейное ускорение, транспортирование.

Радиационные – под воздействием прямых солнечных лучей и ультрафиолетового воздействия (солнце влияем на химическое изменение элементов).

4

5. Основные виды конструкторских и технологических работ

Современная РЭА создается большим коллективом специалистовразработчиков, включающим:

системо-схемотехников

конструкторов и технологов

программистов

эксплуатационников

Организацию, для которой разрабатывается РЭА, называют заказчиком Организация, выполняющая проект называется разработчик – исполнитель Процесс конструирования состоит из 2-х основных этапов:

1)НИР – научно-исследовательская работа

2)ОКР – опытно-конструкторская работа

НИР – 1-я стадия разработки, на которой выделяется принципиальная возможность создания изделия. НИР состоит из 2-х этапов:

1)Разработка технического задания (ТЗ)

2)Разработка технического предложения (ТП) на реализацию ТЗ

В процессе выполнения НИР прорабатывается теоретическая и экспериментальная части разработки. Если НИР заканчивается отрицательным результатом, что свидетельствует о том, что данная разработка не перспективна.

НИР заканчивается отчетом, форма которого четко канонизирована, пишется в соответствии с ГОСТом и рекомендацией на проведение ОКР.

При положительном исходе НИР заканчивается ТЗ на ОКР.

ОКР – 2-я стадия разработки. Состоит из 3-х основных этапов:

1)Эскизный проект

2)Технический проект

3)Рабочий проект

Цель ОКР – инженерное воплощение результатов НИР. И заканчивается разработкой полного комплекта КД и предъявлением заказчику опытного образца, выполненного по данной КД.

Очень часто этапа НИР не бывает, т.к. у заказчика нет денег на оба этапа. Это сказывается на качестве.

ТЗ – исходный документ, который устанавливает основное назначение, технико-экономические и тактико-технические характеристики, предъявляемые к разрабатываемому изделию. Включает следующие разделы

Область применения изготавливаемого изделия

Цель и основание для его разработки

Этапы и сроки разработки

Порядок испытаний и ввода изделий в КД

5

ТП представляет собой совокупность технических документов, содержащих анализ состояния вопросов в данной области разработки, а также выбор и сравнительную оценку по основным показателям наиболее рациональных вариантов и технических решений создаваемого изделия.

1)Эскизный проект – совокупность технических документов, существующих принципиальную проработку схемных и конструкторских решений, которые дают общее представление о проектируемом изделии.

2)ТП – совокупность технических документов, содержащих окончательные технические решения, которые дают полное представление об изделии.

3)Рабочий проект – полная завершенная совокупность конструкторских, технологических документов, на основе которых могут быть изготовлены опытный образец изделия и рабочий проект включающий в себя всю необходимую документацию по изготовлению, испытанию, приемке, эксплуатации, транспортированию, хранению.

В практике могут выпадать 1-2 этапа (зависит от финансирования)

Литерность – буквенно-цифровое обозначение в штампе чертежа, показывающее уровень отработки КД.

Нет – этап эскизного проекта О – этап ТП

О1 – этап рабочего проекта. Передается на завод – изготовитель. Проведены государственные испытания. Произведена коррекция на основе этих испытаний.

6

6. Интенсификация интеллектуального процесса поиска конструкторских решений

Применяют 4 основных процесса творческого мышления:

1)Аналогия

2)Инверсия

3)Эмпатия

4)Мозговой штурм

Аналогия используется как для преодоления, так и для увеличения инерции мышления.

Инерция мышления полезна, если стоит задача с наибольшей точностью повторить решение, найденное в прототипе, внося изменения лишь в количественном соотношении.

Прием инверсии основан на взгляде на явления с иной, чаще противоположной стороны, например, превращение вреда в пользу (крашение болтов против их развинчивания).

Прием эмпатии (вживание в образ) – позволяет конструкторам ощутить мельчайшие подробности работы узла или протекающих в нем процессах, чтобы обнаружить ошибки, не различимые при взгляде со стороны.

Прием мозгового штурма направлен на интенсификацию коллективного генерирования новых идей по преодолению тупика. Происходит следующим образом:

1)Назначается временная группа конструкторов (на 2-3 часа), причем из различных подразделений в количественном составе 5-8 человек. Ставится магнитофон и задача, приведшая в тупик.

2)Дается возможность каждому члену группы высказаться, в т.ч. даже безумных идей. Не допускается критика и поддержание идеи.

3)Магнитофон с соответствующими записями передаются в соответствующий отдел. В результате принимается решение.

7

7. Иерархии конструкции РЭА (построение)

Основным из главных достижений конструирования сегодняшнего дня является совершенствование и широкое распределение базового метода конструирования РЭА, в основу которого положен принцип разделения аппаратуры на функционально и конструктивно законченные части (модули).

Согласно этому принципу на современные РЭА можно установить следующие уровни иерархии:

Модуль 1-го уровня – Основная сборочная единица, служащая для размещения и электронного соединения ИЭТ (изделия электронной техники) функционально законченных устройств, как правило, не имеющих самостоятельного назначения (печатная плата, блок).

Модуль 2-го уровня – Сборочная единица для размещения и электронного соединения модулей 1-го уровня и образования функционально-законченных устройств, имеющих или не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения (секция, кассета).

Модуль 3-го уровня – Сборочная единица, служащая для размещения и электронного соединения модулей 2-го уровня и образования функциональных устройств, имеющих самостоятельное эксплуатационное назначение (стойка).

Базовая несущая конструирования (БНК) – несущая конструкция, предназначенная для размещения составных частей аппаратуры, габаритные размеры которой стандартизированы.

Необходимо вхождение аппаратуры младшего уровня в более высокие уровни. Ширина – 600 мм Глубина – 210 мм

Длина 2150 – 2600 мм с шагом приращения

Достоинства базового метода конструирования:

1)На этапе конструирования возможность проектирования одновременно различия составных частей аппаратуры

Значительное сокращение объема оригиналов КД

Ускорение внесений изменений

Возможность модернизации аппаратуры без коренных изменений в конструкции

2)На этапе производства сокращение сроков освоения серийного производства аппаратуры

Упрощение сборочно-монтажных работ

Увеличение стоимости аппаратуры благодаря автоматизации технологических процессов

3) На этапе эксплуатации улучшение ремонтопригодности, облегчение обслуживания и повышение эксплуатационной надежности аппаратуры

8

8. Печатные платы. 1-й иерархический уровень

Печатный узел является первым и самым сложным – много элементов сборочных единиц РЭА, объединяющих множество элементов схемы электрической принципиальной.

Основная технология:

Сборочный узел – сборочная единица с расположенной на ней электрически и механически соединенными навесными элементами и всеми выполненными операциями обработки (пайка, покрытие).

Печатная плата – листовой материал, вырезанный по определенному размеру, содержащий необходимые ответвления и рисунок и обеспечивающий в дальнейшем электрически и механически соединение элементов.

Основание печатной платы – листовой материал, вырезанный по определенному размеру и подготовленный для того, чтобы нести на себе рисунок и навесные элементы.

Рисунок печатной платы – конфигурация изоляционного или проводящего слоя (топология).

Печатный проводник – неприрывная проводящая полоска или площадка. Контактная площадка – часть проводника на поверхности или в толще

основания. Используется для создания навесных элементов или контрольных присоединений.

9

9. Геометрия печатной платы

t y l y

y 1

xпл

XПЛ;YПЛ – габариты платы

XМП;YМП – габариты монтажного поля (площадь, занимаемая этими элементами) lx, ly - габариты навесных элементов, устанавливаемых на печатной плате

Количество элементов в ряду:

Количество рядов элементов:

x1 – размер до первого навесного элемента по X y1 – размер до первого навесного элемента по Y tY – шаг установки по Y, tX – шаг установки по X

x1, x2, y1, y2 – краевые поля для подсоединения к лицевой панели в вертикальной плоскости, обеспечивают вхождение печатной платы в секции в горизонтальной плоскости.

Различают односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы. Достоинством односторонних и двусторонних печатных плат является простота и низкая трудоемкость проектирования и изготовления. Недостаток: низкая плотность размещения навесных элементов.

При использовании многослойных печатных плат существенно увеличивается плотность монтажа путем добавления дополнительных слоев без изменения габаритов печатной платы.

Недостатки:

более жесткие допуски на размеры,

большая трудоемкость изготовления и проектирования,

10

необходимость иметь специальное технологическое оборудование для их изготовления,

высокая стоимость,

низкая ремонтопригодность.

Выбор габарита печатной платы связан с разбиением электрической схемы на функционально законченные части. Наиболее четко эта связь заметна в схемах цифровой техники, в них легко можно выделить многократно повторяющиеся части, малоотличающиеся друг от друга.

В результате выявляются части электрической схемы, которые могут быть выполнены на печатной плате и использованы в ней несколько раз.

Главным критерием выбора типа размера печатной платы и числа устанавливаемых на ней корпусов является:

минимизация их числа,

минимизация межузловых соединений и внешних выводов модулей,

уровней паразитных связей между ИЭТ

теплофизические факторы.

Рациональное размещение ИЭТ на изделии оценивается плотностью упаковки (элемент / см3), обеспечение нормального теплового режима элементов за счет формирования допустимого по уровням и равномерно распределенного теплового поля, равномерного распределения масс элементов по поверхности, расположение наиболее крупногабаритных элементов вблизи мест механического крепления платы.

Топология печатной платы должна соответствовать:

схеме электрической принципиальной,

удовлетворять всем технологическим требованиям, определяемыми методом изготовления,

удовлетворять всем конструктивным требованиям, с точки зрения геометрии печатной платы,

удовлетворять всем предъявляемым электрическим требованиям по сопротивлениям печатных проводников, нормам допустимых рабочих напряжений и токов,

должна обеспечивать нормальную работу в условиях эксплуатации, оговоренных в техническом задании,

должна обеспечивать удобство монтажа и регулировочных работ.

Принцип, который положен в основу разработки всех программ автоматического синтеза печатных плат:

Заданная для реализации электрическая схема разбивается на функционально связанные группы и составляется таблица соединений. В каждой выделенной группе элементов производится размещение основных элементов на площади, зависящих от конструкции платы и шага установки элементов с частичной трассировкой цепей проводников.

Выбирается такая группа элементов, которая имеет наибольшее количество внешних связей (с разъемом) и в зависимости от требований технического задания размещается вблизи разъема на определенной площади.

Из оставшихся после 1 группы, выбирается 2-я группа элементов, имеющая наибольшее число связей с 1 группой и размещается рядом с 1 группой и т.д.

После размещения последней группы производится оценка размещения каждого навесного элемента и при необходимости вносится корректировка при размещении отдельных навесных элементов.