Утверждено редакционно-издательским советом университета
УДК.621.396.6.001.63
Винников, В.В. Основы проектирования электронных средств: учебное пособие: в 2 кн. Кн. 1 / В. В. Винников. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2009. - 194 с.
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.
В книге 1 пособия рассматриваются вопросы, связанные с конструк-торской документацией; структурой и классами электронных средств (ЭС); факторами, определяющими построение ЭС; конструкторским проектированием (особенностями конструирования современных ЭС; системами несущих конструкций; конструкциями электрических соединений ЭС).
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210201.65 - «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направления подготовки бакалавра 210200.62 - «Проектирование и технология электронных средств».
Р е ц е н з е н т ы: В. И. Соколов, д-р физ.-мат. наук, проф., науч. консультант лаб. Физико-технического института РАН; А. Е. Калмыков, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Физико-технического института РАН.
Ó Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2009
Ó Винников В.В., 2009
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное учебное пособие предназначено для студентов специальности 210201.65 - «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направления подготовки бакалавра 210200.62 – «Проектирование и технология электронных средств». Оно должно помочь им в изучении дисциплины «Основы проектирования электронных средств» цикла общепрофессиональных дисциплин (федеральный компонент). Кроме этого, пособие могут использовать студенты специальности 210302.65 – «Радиотехника» и 230101.65 – «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» при изучении дисциплин «Основы конструирования и технология производства РЭС» и «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» соответственно.
Целью пособия является обеспечение студентов материалом по следующим разделам рабочей программы дисциплины: конструкторская документация; структура и классы электронных средств (ЭС); факторы, определяющие конструкцию ЭС; конструкторское проектирование: особен-ности конструирования современных ЭС; система несущих конструкций; конструкция электрических соединений ЭС. Дисциплина «Основы проектирования электронных средств» является логическим продолжением дисциплины «Основы конструирования и надежности ЭС» и связана с дисциплинами «Основы проектирования РЭС» и «Современные методы конструирования и технологии РЭС».
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Основы проектирования электронных средств» является логическим продолжением дисциплины «Основы конструирования и надежности ЭС». С другой стороны, изучаемая дисциплина является основой для более глубокого изучения ряда методик проектирования, и прежде всего поверочных методик расчета конструкций РЭС на допустимость теплового, электромагнитного, механического и других режимов их функционирования, которые будут изучаться на пятом и шестом курсах в дисциплине «Основы проектирования РЭС». В связи с этим рассмотрение указанных методик в изучаемой дисциплине не проводится и основное внимание уделено конструкторскому проектированию функциональных узлов и модулей, выполняемых печатным способом.
Введем еще несколько понятий к тем, что Вы изучили в предшествующей дисциплине «Основы конструирования ЭС». Под радиоэлектронными средствами (РЭС) понимают изделия и их составные части, в основу функционирования которых положены принципы радио-техники и электроники.
Электронными средствами (ЭС) называют изделия, в основу функцио-нирования которых положены принципы взаимодействия электронов с электромагнитными полями [6].
С развитием радиотехники и электроники изменялось понятие ЭС (РЭС). Вначале РЭС назывались аппаратурой, затем – радиоаппаратурой (в основном для задач связи). Когда же их стали использовать для решения технических задач (радиолокация, навигация и т. п.) появилось понятие «радиотехническая аппаратура». Развитие электронно-вычислительных машин и систем автоматики привело к понятию «электронная аппаратура», в которой передача и преобразование информации осуществлялось методами электроники. Даль-нейшее усложнение аппаратуры привело к понятию «радиоэлектронная аппаратура» (РЭА), в которой прием, обработка, хранение и передача информации осуществлялись методами как радиотехники, так и электроники. Включение в состав РЭС различных исполнительных электромеханических устройств, систем питания, систем теплоотвода, контроля и других привело к понятию «радиоэлектронное средство»; а расширение диапазона частот электромагнитных колебаний и переход на элементы в интегральном исполнении – к понятию «электронные средства» [6].
Электромагнитные колебания условно делятся на четыре диапазона: низкочастотные (НЧ) (от 3 Гц до 3 кГц), радиоволны (от 3 кГц до 3000 ГГц), оптическое излучение (от 3000 ГГц до 750 ТГц), рентгеновское и гамма-излучение (от 750 до 10 000 ТГц). Имеется специфика способов генерации, передачи и приема электромагнитных колебаний каждого диапазона, а следовательно, имеется и специфика конструкций аппаратуры. В свою очередь, для конструкций РЭС, работающих в диапазоне радиоволн, различают высокочастотные (ВЧ) (3 кГц...300 МГц) и сверхвысокочастотные (СВЧ) (300 МГц...3000 ГГц) устройства, конструкции которых также существенно различаются.
Радиоэлектронные средства предназначены для передачи, приема, хранения и преобразования информации, представленной в виде непрерывных или дискретных электромагнитных сигналов.
Устройства, работающие с непрерывными электромагнитными сигна-лами, называют аналоговыми, а устройства, работающие с дискретными сигналами,— цифровыми. Конструкции их существенно различны. Обычно в состав РЭС входят как аналоговые, так и цифровые устройства, в свою очередь включающие дискретные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры, светодиоды, фотодиоды и т. д.), а также узлы в интегральном исполнении (интегральные схемы и элементы функциональной микроэлектроники). Приборы функциональной микроэлектроники выполнены на средах с распределенными параметрами, в которых в нужный момент под воздействием управляющего сигнала возникают динамические неоднородности среды. Эти неоднородности управляют прохождением сигнала. Использование приборов функциональной микроэлектроники эквивалентно резкому возрас-танию степени интеграции по сравнению с обычными интегральными схемами. К приборам функциональной микроэлектроники относятся, например, пьезокерамические фильтры, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах. В состав элементной базы РЭС входят также элементы электромонтажа (соединители, печатные платы, провода и кабели из объемного провода).
Применительно к интегральным схемам (ИС) следует различать понятия «элемент» и «компонент». Под элементом ИС понимается часть, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонентом является часть ИС, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонентом может быть либо часть гибридной ИС, либо гибридная или полупроводниковая ИС. РЭС, в которых используются элементы в интегральном исполнении, называются микроэлектронными и составляют подавляющее большинство. Это определяет актуальность развития конструкторско-технологического направления создания микроэлектронных РЭС.
Под конструкцией (от латинского constructio – составление, построение) РЭС понимается совокупность деталей и материалов (тел) с разными физическими свойствами, находящихся в определенной физической связи (электромагнитной, тепловой, механической и т. п.), обеспечивающая выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью при действии внешних и внутренних дестабилизирующих факторов и воспроизводимая в условиях производства. Конструкция определяет взаимное расположение частей в пространстве, способы их соединения, характер взаимодействия, а также материал, из которого они изготовлены. Конструкции РЭС отличаются рядом особенностей, которые выделяют их в отдельный класс среди других конструкций:
иерархической структурой (от греч. hierarchia, hieros — священный, аrсhё — власть), под которой подразумевается последо-вательное объединение более простых электронных узлов в более сложные, рассмотренное в дисциплине «Основы конструирования и надежности ЭС» [3];
доминирующей ролью электрических и электромагнитных свя-зей;
наличием неоднородностей в электрических соединениях, при-водящих к искажению и затуханию сигналов, а также паразитных связей, порождающих помехи (наводки);
наличием тепловых связей, что требует принятия мер защиты термочувствительных элементов;
слабой связью внутренней структуры конструкции с ее внешним оформлением.
Конструкторская иерархия реализуется с помощью уровней раз-укрупнения РЭС, габаритные размеры которых стандартизованы. Конструкции нижестоящего уровня совместимы с конструкциями вышестоящих уровней. По конструктивной сложности различают следующие уровни разукрупнения РЭС: шкаф, блок, ячейка. Если устройства являются не только конструктивно, но и функционально законченными, то они называются модулями (от лат. modulus — составная часть, кратная целому), более полное определение приведено далее (с. 91).
Различают (ГОСТ 26632—85) следующие уровни разукрупнения РЭС в модульном исполнении по конструктивной сложности: радиоэлектронный модуль третьего уровня (РЭМ 3) — функционально законченный радиоэлектронный шкаф, пульт, стойка, выполненные на основе базовой несущей конструкции третьего уровня и обладающие свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости; модуль второго уровня (РЭМ 2) — блок или рама; модуль первого уровня (РЭМ 1) — ячейка, плата. Модуль нулевого уровня (РЭМ 0) конструктивно совместим с модулем первого уровня и реализует преоб-разование информации или преобразование сигналов. Обычно это элементы (ЭРЭ, ИС, элементы функциональной микроэлектроники), не имеющие самостоятельного эксплуатационного применения, и детали. На рис. 1 пред-ставлена система конструктивных иерархических уровней разукрупнения РЭС подвижного наземного комплекса [6]. Она состоит из шкафов, в которых размещают блоки четырех типоразмеров; в двух блоках (тип I) использованы функциональные ячейки, в двух других (тип II) - плоская панель, на которой расположены навесные ЭРЭ и электрические соединения.
Совокупность уровней разукрупнения РЭС определенного назначения образует конструкционную систему. Известны конструкционные системы РЭС измерительных приборов, ЭВМ, телевизионной, связной аппаратуры и др.
Конструкция создается в процессе конструирования, под которым понимают мыслительную, оформительскую и организаторскую деятельность (сравните определение конструирования в [2]). Основным содержанием конструирования является прогнозирование некоторой будущей структуры на основании современных данных, нахождение и отражение найденных связей между частями конструкции в конструкторской документации и внедрение ее в производство и эксплуатацию. Одним из наиболее важных результатов конструирования является получение новой информации, которую можно использовать в последующих разработках. Эта информация может иметь позитивный (новое решение) или негативный характер. Отрицательный результат тоже полезен, так как позволяет избежать повторения ошибок.
Конструирование является частью общего процесса проектирования или разработки изделия, содержащего такие взаимосвязанные этапы, как разработка структурной и принципиальной электрических схем, собственно конструирование, разработка технологии изготовления, внедрение изделия в производство и эксплуатацию.
Конструирование может осуществляться либо только человеком (вручную), либо с использованием ЭВМ.
Рис. 1. Система базовых несущих конструкций РЭС подвижного наземного комплекса
Одним из наиболее трудных и творческих этапов конструирования является компоновка (от лат. componere — складывать) — размещение на плоскости или в пространстве различных элементов РЭС. Плотность компоновки РЭС определяется числом элементов в единице объема (элем./см3) или площади (элем./см2). Иногда поверхностная плотность компоновки выражается числом ИС, размещаемых на единице площади (ИС/см2). В некоторых случаях указывается число внешних выводов ИС; так, ИС с 16 выводами обозначается ИС16. Методы компоновки были рассмотрены в [3].
Расширение областей использования и усложнение РЭС ведут к увеличению числа входящих в них элементов и компонентов, что повышает стоимость, габариты, массу, энергопотребление и снижает надежность РЭС. Вначале для улучшения этих параметров осуществляли миниатюризацию элементов (например, применяли электровакуумные лампы типа «дробь», «желудь», «пальчиковой» серии). Развитие интегральной гибридной и полупро-водниковой технологии позволило резко уменьшить размеры элементов и перейти к микроминиатюризации.
Для дальнейшего улучшения параметров РЭС используют различные системотехнические, схемотехнические, конструкторские и технологические решения, в совокупности называемые комплексной микроминиатюризацией. Это увеличение степени интеграции ИС и модулей; разработка методов структурного резервирования; сложение мощностей маломощных источников излучения СВЧ, отвод тепла с помощью «тепловых труб»; защита от механических воздействий с помощью вязкоупругих компаундов; защита от влаги бескорпусных элементов в составе блока общей оболочкой; исполь-зование микромощных элементов, замена электромеханических узлов элек-тронными и т. д.
Классификация ЭС, структура и классы. Категории и классы РЭС были рассмотрены в дисциплине «Основы конструирования и надежности ЭС». В настоящее время существует большое число РЭС и их конструкций, которые можно классифицировать:
- по объекту установки (самолетный метеонавигационный радиолокатор, ЭВМ управления робототехническим комплексом, слуховой аппарат на эффекте костной проводимости и т. д.);
- функциональному назначению отдельных устройств (пульт станка с ЧПУ, индикатор РЛС);
- частотному диапазону сигналов (низкие частоты — блок питания, уст-ройство автоматики; высокие частоты — блок усиления видеосигнала, блок гетеродина устройства связи; СВЧ — малошумящий усилитель, усилитель мощности и т. д.);
- конструктивной сложности (ИС, плата, блок, шкаф, пульт, стойка);
- типу производства (единичное, серийное, массовое).
Классификация по объекту установки, как отмечалось ранее в [3], часто является доминирующей, так как объект установки РЭС в решающей степени определяет специфику конструкции (защита от дестабилизирующих факторов, масса, форма, габариты, энергопотребление, стоимость, надежность).
Подробное рассмотрение особенностей конструкций наземных и бортовых РЭС диапазона НЧ, ВЧ и СВЧ приведено в [6], а объекты-носители для размещения категорий и групп РЭС приведены в [16].
Показатели качества РЭС. Эффективность и качество конструкции РЭС характеризуются системой показателей — критериев (от греч. criterion —средство для суждения). Одним из важнейших показателей является технологичность конструкции, под которой понимается совокупность свойств конструкции изделия, обеспечивающая оптимизацию затрат при производстве, эксплуатации, ремонте с учетом заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ, см. также [3]. Технологичность конструкции — понятие относительное. Например, конструкция, технологичная при единичном производстве, когда используются универ-сальное оборудование и высококвалифицированный персонал, нетехнологична при массовом производстве, основанном на применении специализированного оборудования, когда весь технологический процесс разбит на операции, которые могут выполняться персоналом сравнительно невысокой квалификации [6]. Точно так же РЭС, технологичные для неавто-матизированного производства, могут стать нетехнологичными в условиях гибкого автоматизированного производства, основанного на «безлюдной» технологии с применением манипуляторов и роботов.
Кроме технологичности каждая конструкция РЭС характеризуется рядом технических показателей, важность, номенклатура и значения которых зависят от назначения РЭС, стадии разработки, элементной базы. Для РЭС летательных аппаратов наиболее важным показателем является масса; для РЭС подводных лодок и танков — объем; для РЭС космических объектов — надежность; для наземных РЭС — затраты на изготовление и стоимость эксплуатации. Другие показатели выступают в качестве ограничений: для самолетных РЭС — это надежность, объем и форма; для танковых — надежность; для РЭС космических объектов — масса, надежность и габариты; для стационарных РЭС — занимаемая площадь и ремонтопригодность [6]. Показатель надежности (ГОСТ 27.002—83) является комплексным, включающим такие свойства, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохра-няемость. Все они были предметом изучения в дисциплине «Основы констру-ирования и надежности ЭС» [2].
На различных этапах разработки и производства изделия используют свои показатели. Так, при исследовании возможности создания РЭС для использования на объекте с весьма ограниченным объемом (например, для радиоуправляемой модели корабля) главным свойством является объем, который определяет принципиальную возможность использования РЭС. На стадии разработки конструкции опытного образца этого РЭС на первое место выступает соответствие техническим требованиям, в частности по надежности, зависящее от правильности выбора конструкторско-технологических решений. При разработке конструкции серийного образца определяющим показателем становится стоимость, которая зависит от использования высокопроиз-водительных технологических методов, автоматизации, тщательности отра-ботки технологических режимов.
Показатели качества на отдельных этапах конструирования и внедрения РЭС могут не только различаться, но и быть противоречивыми. Так, при автоматизированном конструкторском проектировании электрических соеди-нений печатной платы противоречивыми являются требования минимальной суммарной длины связей и минимального числа пересечений при однослойной трассировке. Первое требование обусловливает плотность размещения связей, а это затрудняет трассировку без пересечений.
Номенклатура показателей РЭС, их количественные и качественные значения изменялись с развитием элементной базы. Такие показатели, как сложность РЭС (число элементов), масса, габариты, надежность, стоимость, энергопотребление, были актуальны для всех поколений РЭС. Однако количественные значения этих показателей непрерывно изменялись в сторону снижения массы, габаритов, стоимости и в сторону увеличения сложности и надежности. Для РЭС на дискретных элементах важнейшим показателем качества являлось число электровакуумных приборов, имевших низкую надежность, большие габариты, потребляемую мощность, стоимость. Поэтому число активных элементов старались уменьшить. При использовании элементов в интегральном исполнении в ряде случаев избыточность активных элементов полезна. Например, при использовании транзисторной структуры в качестве диодов или резисторов уменьшается площадь последних, а увеличение числа адресных формирователей в полупроводниковой памяти позволяет увеличить быстродействие (благодаря укорочению линий выборки) и повысить выход годных устройств памяти (в результате исключения неисправных регистров).
Показатели могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные показатели характеризуют конструкции РЭС без учета достигнутого ранее уровня, а относительные — с его учетом. Примерами абсолютных показателей, сохранивших свое значение и поныне, являются масса, габариты. С возникновением интегральных схем появились новые абсолютные показатели: степень интеграции ИС, плотность компоновки РЭС, плотность теплового потока, удельная мощность, удельная масса, минимальная сум-марная длина электрических связей.
Относительные показатели (уменьшение массы, объема, энергопот-ребления) стали особенно актуальными для РЭС в микроэлектронном исполнении.
Рассмотрим подробнее новые абсолютные и относительные показатели. Степень интеграции численно равна десятичному логарифму числа элементов, входящих в ИС. Интегральные схемы со степенью интеграции элементов больше третьей называют большими (БИС). Чем выше степень интеграции схемы, тем более компактные РЭС можно создать.
Показатели плотность теплового потока (Вт/м2) и удельная тепловая мощность (Вт/м3) особенно актуальны для оценки параметров корпуси-рованных микроэлектронных модулей (источников питания, быстродейст-вующих цифровых узлов, выходных каскадов передатчиков) и т. д.
Эволюция конструкций ЭС. Конструктивно-технологические пока-затели поколений ЭС. Современные и перспективные конструкции ЭС. Первые устройства проводной телеграфной связи появились в середине XIX века. Первый телеграфный аппарат был создан русским изобретателем П. Л. Шиллингом (1832), ряд аппаратов — русским физиком Б. С. Якоби (1840 — 1850). Первый в мире радиоприемник, изобретенный А. С. Поповым, был продемонстрирован им в 1895 г. Конструкция первых РЭС напоминала аппаратуру проводной связи (деревянный ящик, монтаж неизолированным проводом, контактирование с помощью винтов). Установка РЭС на суда и автомобили (1925 — 1935) привела к необходимости увеличения прочности и экранирования отдельных узлов с помощью металлического шасси. Увели-чение серийности выпуска аппаратуры привело к созданию конструкторской иерархии. Для защиты аппаратуры танков и самолетов (1935 — 1945) были разработаны герметичные корпуса, которые устанавливались на амортизаторы. Требование минимизации массы и объема ракетной аппаратуры (1940 — 1950) привело к созданию микромодулей, печатных плат, полупроводниковых приборов, коаксиальных кабелей, полосковых линий, интегральных схем. Дальнейшее усложнение аппаратуры привело в 60—70-х годах к появлению приборов функциональной микроэлектроники.
По схемотехнической (элементной) базе РЭС оцениваются номером поколения [7]. РЭС первого поколения (20—50-е годы) были построены с использованием электровакуумных ламп, дискретных ЭРЭ, проводных электрических связей; ко второму поколению РЭС (50—60-е годы) относят конструкции РЭС на печатных платах и дискретных полупроводниковых приборах; к третьему — конструкции на печатных платах и ИС малой степени интеграции (60—70-е годы). В конструкциях РЭС четвертого поколения применены БИС, многослойные печатные платы, гибкие печатные шлейфы, микрополосковые линии. В настоящее время развиваются РЭС пятого поколения, в которых находят применение приборы функциональной микро-электроники. Таким образом, поколение РЭС — это совокупность функции-ональных, конструктивных и технологических показателей определенного вида изделий, разработанных (разрабатываемых) с использованием новых научно-технических достижений в течение одного временного интервала. Конструктивно-технологические показатели РЭС II—V поколений приведены в табл. 1 [7].
Рассмотрим специфику конструкций аппаратуры первых четырех поко-лений [6]. Аппаратура первого поколения имела блочную конструкцию. Каждый блок (осциллограф, вольтметр, радиоприемник, блок автоматики (рис. 2), блок аналоговой ЭВМ и т. д.) имел определенное функциональное назначение. К недостаткам этой аппаратуры, в состав которой входили электровакуумные приборы и дискретные ЭРЭ, относятся малая плотность компоновки, низкая степень унификации несущих конструкций, неприс-пособленность конструкций к механизации и автоматизации сборочно-монтаж-ных работ.
Таблица 1
Конструктивно-технологические показатели поколений ЭС
|
Показатель |
Поколение РЭС | |||
|
II |
III |
IV |
V | |
|
Элементная база
|
Полупровод-никовые приборы, миниатюрные ЭРЭ
|
Интегральные схемы (ИС)
|
Большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), микрополоско- вые линии |
Большие гибридные микросборки, БИС, СБИС, изделия функциональной электроники (ИФЭ)
|
|
Степень интеграции изделия, элементы на кристалл
|
Дискретные элементы
|
10² - 10³
|
104
|
105 -106
|
|
Метод конст- руирования
|
Функционально-узловой
|
Функционально- модульный
| ||
|
Монтаж
|
Одно- и двухсторонний печатный
|
Многослойный печатный
|
Шлейфовый и многослойный печатный
|
Многослойный
|
|
Конструкция блоков
|
С горизонта-льным и вертикальным шасси
|
С ячейками, разъемной или книжной конструкции
|
С ячейками, разъемной или книжной конструкции, в том числе герметич-ные
| |
Характерной особенностью аппаратуры второго поколения является применение модулей на печатных платах (рис. 3), микромодулей этажерочной конструкции на керамических платах (рис. 4), микромодулей плоской конструкции (рис. 5). Из таких модулей компоновались более сложные узлы (рис. 6 — 8) [6]. В модульных конструкциях удалось увеличить плотность компоновки как благодаря замене электровакуумных приборов полу-проводниковыми, так и благодаря более плотной компоновке дискретных ЭРЭ. Это, в свою очередь, позволило пойти на некоторую избыточность и унифицировать размеры микромодулей, приняв их размеры в двух измерениях постоянными. Модули различной сложности стали отличаться размерами только в третьем измерении.
Аппаратура третьего поколения выполняется на ИС первой и второй степени интеграции, являющихся функциональными модулями, из которых можно скомпоновать более сложные узлы. Конструктивно такие узлы представляют собой двустороннюю или многослойную печатную плату с установленными на ней ИС (рис. 9) [6]. Подобные конструкции имеют высокую плотность компоновки, их функциональная сложность соответствует сложности блока первых поколений. Применение корпусированных ИС позволило повысить надежность, степень унификации, взаимозаменяемость, уменьшить габариты, массу, иногда стоимость устройства по сравнению с РЭС второго поколения. Однако использование корпусированных ИС приводит к значительной потере объема РЭС. При компоновке аппаратуры с исполь-зованием ИС первой и второй степени интеграции основной является проблема выполнения электрических связей между элементами.
Рис. 2. Конструкции РЭС первого поколения: 1 – основание с передней и задней панелями; 2 – функциональные модули с электро-вакуумными лампами; 3 – разъемные соединители для подключения модулей и внешних связей; 4 – направляющие штыри; 5 – винты крепления блока в стойке
Рис. 3. Компоновочные схемы модулей на печатных платах: а – горизонтальная; б – вертикальная; в – этажерочная
Рис. 4. Характерная форма микроплат (а - в), примеры плат-полуфабрикатов (г - ж), этажерочный микромодуль с 28-ю ленточными соединителями (з)
Рис. 5. Унификация размеров плоских модулей (h=3,5...10,5 мм)
Рис. 6. Компоновка ячейки ЭВМ второго поколения с использованием модулей на печатных платах: 1 – двусторонняя печатная плата; 2 – двухплатный модуль; 3 – одноплатный модуль; 4 – соединитель
Рис. 7. Варианты компоновки этажерочных микромодулей: а – вертикальная; б – горизонтальная; в – «встык»; г – с использованием промежуточного монтажа; д – с торцевыми переходными печатными платами; е – двухплатная; ж – двухплатная с односторонним подключением модулей; з – компоновка приемника на этажерочных микромодулях
Рис. 8. Компоновка функционального узла на плоских микромодулях
Ограничивающими факторами при повышении плотности компоновки плат являются шаг выводов ИС (2,5 мм) и минимальная ширина проводников и зазоров (0,15 мм).
Аппаратура четвертого поколения используется в бортовых и СВЧ РЭС (рис. 10) и выполняется с использованием бескорпусных элементов, герме-тизируемых в составе блока [6]. Плотность компоновки при этом увели-чивается, но ремонтопригодность уменьшается, так как при выходе из строя одного элемента приходится при ремонте либо разгерметизировать блок, либо заменять его.
Эволюция конструкций аппаратуры шла неразрывно с успехами в области технологии производства. Освоение электровакуумных приборов потребовало создания металлостеклянных спаев, разработки методов контроля герметичности приборов. Особенно большое влияние на конструкцию РЭС оказало освоение технологии печатных плат, интегральной полупроводниковой и гибридной технологии производства ИС и приборов функциональной микро-электроники.
По конструктивной базе, под которой понимается совокупность механических элементов конструкции РЭС, обеспечивающих механическую прочность и защиту от дестабилизирующих воздействий, а также механическое управление аппаратурой, устройства РЭС можно разделить: на механические детали и узлы управления; несущие конструкции [7].
Механические детали и узлы управления служат для плавного или скачкообразного, вращательного или поступательного перемещения испол-нительных устройств (ИУ), которыми называются перестраивающиеся устрой-ства (конденсаторы переменной емкости, потенциометры, переключатели и др.), при изменении положения подвижных частей которых меняются входные, выходные и другие параметры аппарата. К механическим деталям и узлам управления относятся кнопки, ручки управления, фиксаторы, а также отсчет-ные устройства, с помощью которых определяются значения измеряемой вели-чины визуальным наблюдением.
Несущей конструкцией (НК) называется элемент конструкции или сово-купность элементов конструкции, предназначенные для размещения составных частей аппаратуры и обеспечения их устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации.
Несущая конструкция является достаточно сложной механической системой, состоящей из большого количества различных деталей и элементов, соединенных между собой разъемными и неразъемными соединениями. Несущая конструкция обеспечивает необходимое положение ЭРЭ в пространстве, наличие определенных электрических и магнитных связей между ними, защиту от дестабилизирующих факторов условий эксплуатации, придает изделию товарный вид.
К НК обычно относят печатные и монтажные платы, рамки, каркасы, шасси и кожуха блоков, рамы, стеллажи, стойки, шкафы и другие детали аналогичного назначения.
Дальнейшего совершенствования конструкций и методов конструи-рования РЭС следует ожидать в результате все более широкого внедрения информационных технологий в конструирование и производство, дальнейшего расширения частотного диапазона электромагнитных сигналов, использования уже изученных и малоизученных физических явлений, новых материалов, расширения областей применения РЭС. Расширение использования ЭВМ для проектных конструкторских работ связывают с развитием САПР, а производство ЭС (РЭС) – с переходом на гибкие автоматические производства (ГАП) или гибкие производственные системы (ГПС).
Появления новых
конструкций можно ожидать в связи с
расширением частотного диапазона
сигналов в оптическую область спектра.
Одной из таких новых конструкций,
вероятно, будет конструкция памяти
сверхбольшой емкости (до
битов), построенная с использованием
голографии и лазерной техники, а в
дальнейшем – создание искусственного
интеллекта.
Новые конструкции должны появиться и в связи с широким внедрением приборов функциональной микроэлектроники, основанных на хорошо изученных эффектах, а также за счет использования малоизученных в настоящее время эффектов (например, эффекта сверхпроводимости при нормальных или повышенных температурах). Создание перспективных конструкций возможно и в результате появления новых материалов, например сплавов, полученных в условиях невесомости, и сплавов с более совершенной кристаллической решеткой.
Большого количества новых конструкций можно ожидать от расширения областей использования РЭС, особенно в бытовой сфере: в измерительной, медицинской радио- и телевизионной технике.
2008 год можно охарактеризовать как год начала кардинальных изменений в конструкциях ЭС и РЭС. В декабре была продемонстрирована конструкция, принцип работы которой основан на использовании новых многослойных гибких структур. В них имеется слой самоорганизующихся органических молекул, которые обладают свойствами полупроводников. Применение таких структур может серьезно изменить представление о конструкциях электронных изделий.
Рис. 9. Логические типовые элементы замены (ТЭЗы) ЭВМ на основе двусторонней (а) и многослойной (б) печатной платы
Рис. 10. Конструкция узлов РЭС четвертого поколения: а – ячейка бортовой ЭВМ на бескорпусных компонентах: 1 – рамка; 2 – микросборки; 3 – печатная плата; б – приемник: 1 – плата; 2 – микросборка; 3 – дискретный ЭРЭ; 4 – корпус со снятой герметизирующей крышкой
Несмотря на расширение применения для конструкторского проек-тирования вычислительной техники и САПР, роль человека-конструктора не уменьшится, а возрастет, так как только человек может решать новые нефор-мальные задачи.
Следует напомнить, что ЭС (РЭС) следует рассматривать с позиций системного подхода, при разработке конструкций руководствоваться систем-ными критериями [3]. Задачи поиска оптимальных вариантов, начиная от формулировки задачи и кончая алгоритмами их решения, а также оценка эффективности технических систем были изучены в дисциплине «Основы конструирования и надежности ЭС» и представлены в учебном пособии [3].
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое РЭС?
2. На какие диапазоны делятся электромагнитные колебания?
3. Чем отличаются понятия «элемент» и «компонент» ИС?
4. Каково соотношение элементов в микроэлектронном и дискретном исполнении в составе РЭС?
5. Что такое конструкция РЭС? Каковы ее особенности?
6. Что такое конструкторская иерархия РЭС?
7. Что такое конструирование?
8. Что такое миниатюризация, микроминиатюризация, комплексная микроминиатюризация?
9. Назовите показатели качества конструкции РЭС.
10. Что такое технологичность конструкции РЭС?
11. Как развивались конструкции РЭС?
12. Назовите поколения РЭС и их особенности.
13. Каковы перспективы дальнейшего развития конструкций РЭС?
1. Конструкторская документация. Структура и классы эс. Факторы, определяющие построение эс
1.1. Конструкторская документация
Этапы разработки электронных средств [5]. Государственными стандартами (ГОС) РФ определен порядок разработки и постановки на производство продукции технического назначения, в том числе и ЭС (РЭС). В частности, ГОС установлены следующие стадии разработки:
- техническое предложение (ПТ);
- эскизный проект (ЭП);
- технический проект (ТП).
Основой для разработки является техническое задание (ТЗ), содержание которого Вы изучали в дисциплине «Основы конструирования и надежности ЭС».
На стадии технического предложения проводятся анализ существующих технических решений, патентные исследования, проработка возможных вариантов создания изделий, выбор оптимального решения, макетирование отдельных узлов ЭС, выработка требований для последующих этапов разработки.
На стадии эскизного проектирования осуществляются конструкторская и технологическая проработки выбранного варианта реализации ЭС; изготав-ливается действующий образец или серия ЭС; проводятся их испытания в объеме, достаточном для подтверждения заданных в ТЗ технических и эксплуатационных параметров; организуется разработка в полном объеме необходимой по ГОС конструкторской документации, которой присваивается литера «Э»; прорабатываются основные вопросы технологии изготовления, наладки и испытания элементов, узлов, устройств и ЭС в целом.
На стадии технического проекта принимаются окончательные решения о конструктивном оформлении ЭС и составляющих их узлов; разрабатывается полный комплект конструкторской и технологической документации, которой присваивается литера «Т»; изготавливается опытная серия ЭС; проводятся испытания ЭС на соответствие заданным в ТЗ техническим и эксплуа-тационным требованиям. Результаты технического проектирования являются основой для полного комплекта рабочей конструкторской документации, которой присваивается литера «О».
В последующем осуществляются технологическая подготовка производства, выпуск установочной серии и организация серийного выпуска ЭС.
Стадии разработки ТЗ, ПТ и ЭП включаются, как правило, в научно-исследовательскую работу (НИР), а стадии разработки ТП и технологической подготовки производства – в опытно-конструкторскую разработку (ОКР).
Следует вспомнить раздел «Введение в оптимизацию и эффективность РЭС» дисциплины «Основы конструирования и надежности ЭС», в котором рассмотрены стадии внешнего и внутреннего проектирования и жизненный цикл системы [3].
Все вышесказанное относится к вновь создаваемым ЭС, основанным на принципиально новых технических решениях. В настоящее время в связи с развитием предприятий, специализирующихся на разработке и производстве отдельных узлов и устройств ЭС, имеется возможность существенного сокращения трудовых и временных затрат на создание крупносерийных или массовых изделий (так называемые сборочная или «отверточная» технологии). В этом случае разработчикам ЭС необходимо тщательно подо-брать комплектующие изделия, чтобы созданные ими изделия были техноло-гичными в изготовлении, удобными в эксплуатации и конкурентоспособными, а также выполнить ряд работ, предусмотренных схемой на рис. 11, например выпуск документации, проведение испытаний и т. д.
С развитием сети INTERNET [5] широкие возможности для создателей ЭС открывает CALS-технология (Computer-Aided of Logistics Support) – стратегия промышленности, направленная на эффективное создание, обмен, управление и использование баз данных, поддерживающих жизненный цикл создаваемого изделия. Более подробно эти принципы рассмотрены в [5].
Техническая документация. На всех этапах жизненного цикла ЭС их сопровождает техническая документация (ТД). Состав этой документации и ее содержание регламентируются государственными стандартами. В нашей стране действует большое количество стандартов, которые сгруппированы по направлениям жизненного цикла изделий в следующие комплексы [5]:
- единая система конструкторской документации (ЕСКД);
- единая система технологической документации (ЕСТД);
- единая система программной документации (ЕСПД);
- единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП);
- единая система защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений (ЕСЗКС) и др.
Основная задача стандартизации – обеспечить единые нормативно-техническую, информационную, методическую и организационную основы проектирования, производства и эксплуатации изделий. При этом обеспечиваются использование единого технического языка и терминологии; взаимообмен документацией между предприятиями без ее переоформления; совершенствование организации проектных работ; возможность автоматизации разработки ТД с унификацией машинно-ориентированных форм документов; совершенствование способов учета, хранения и изменения документации и др.
ЕСКД. Государственные стандарты, входящие в ЕСКД, устанавливают взаимосвязанные единые правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения конструкторской документации на изделия, разрабатываемые и выпускаемые предприятиями страны.
Рис. 11. Этапы разработки ЭС
Окончание рис. 11
Конструкторские документы (КД) – графические и текстовые документы, в отдельности или в совокупности определяющие состав и устройство изделия и содержащие необходимые данные для его разработки и изготовления, контроля, приемки, эксплуатации, ремонта и утилизации.
Стандартам ЕСКД присваивают обозначения по классификационному принципу. Номер стандарта составляется из цифры, присвоенной классу стандартов ЕСКД; после точки одной цифры, обозначающей класс-сификационную группу стандартов в соответствии с табл. 2; числа, опре-деляющего порядковый номер стандарта в данной группе, и после тире двузначной цифры, указывающей год регистрации стандарта. Например, обозначение стандарта «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению» имеет вид: ГОСТ 2.701-84, т. е. ГОСТ – категория нормативно-технического документа (государственный стандарт), 2 – класс (стандарты ЕСКД), 7 – классификационная группа стандартов, 01 – порядковый номер стандарта в группе, 84 – год регистрации стандарта.
Таблица 2
Классификационные группы стандартов в ЕСКД
Различают следующие виды КД в соответствии со стадиями проектирования: проектные и рабочие.
По способу их выполнения и характеру использования различают:
- оригиналы, выполненные на любом материале и предназначенные для изготовления по ним подлинников;
- подлинники (могут выступать и сами оригиналы), выполненные на любом материале, позволяющем многократное воспроизведение с них копий, и оформленные подлинными подписями лиц, ответственных за их выпуск;
- дубликаты – копии подлинников, обеспечивающие идентичность воспроизведения подлинников, выполненные на любом материале, позволяя-ющем снятие с них копий;
- копии, выполненные способом, обеспечивающим их идентичность подлиннику, и предназначенные для непосредственного использования во всех видах работ.
Документы на магнитных носителях в зависимости от их применения делятся также на виды. Этим документам присваивают следующие буквенные обозначения: П – подлинник, Д – дубликат, К – копия. К буквенному обозначению вторых и последующих экземпляров документов добавляется порядковый номер, соответствующий номеру экземпляра, например Д2, К3 и т. д. К обозначению восстановленного документа добавляют букву В и порядковый номер восстановления: ПВ1, ДВ4 и т. д.
Комплектность конструкторской документации. Различают основной конструкторский документ, основной комплект КД и полный комплект КД.
В соответствии с делением изделий на детали и сборочные единицы различают основной конструкторский документ для детали – чертеж детали и для сборочной единицы – спецификацию.
Под основным комплектом КД понимают совокупность КД ко всему изделию в целом. КД составных частей изделия в основной комплект КД не входят.
Под полным комплектом КД понимают совокупность КД ко всему изделию, включающую основной комплект КД и КД составных частей изделия.
Основной КД шифра не имеет. В основном комплекте документов все КД имеют одинаковый класс кода классификационной характеристики (с. 27).
Например, рассмотрим радиолокационную станцию (РЛС), состоящую из следующих основных устройств: приемного и передающего, включая антенно-фидерное (АФУ); устройства усиления и обработки информации; устройства отображения информации; оконечных устройств. Полный комплект КД будет включать всю КД, относящуюся ко всей РЛС. Основной комплект будет включать полный комплект КД и КД на составные части РЛС: приемник, передатчик, АФУ, устройство усиления и обработки сигналов и т. д. При этом класс кода классификационной характеристики основного комплекта будет 1; коды классификационных характеристик составных частей будут другими и не равными 1, причем для приемника он будет, например, 3, а для устройства отображения информации – 2 и т. д.
Обозначение документов. Основная надпись. Обилие стандартных и типовых составных частей, применяемых одновременно во многих изделиях, привело к разработке обезличенной десятичной (децимальной) системы обозначений изделий основного и вспомогательного производств и их конст-рукторских документов во всех отраслях промышленности при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте [13].
Обозначения присваивают централизованно или децентрализованно, каждое — только одному изделию (документу) в соответствии с классификатором. Каждое обозначение начинается с буквенного кода (различительного индекса) организации-разработчика. Долгое время пользовались классификатором МН СЧХ (Межведомственная нормаль «Система чертежного хозяйства»), в настоящее время – классификатором ЕСКД.
Классификатор МН СЧХ делит конструкторские документы на 10 классов [13]:
класс 0 — документация;
класс 1 — системы (установки, станции);
классы 2,3 — приборы и группы;
класс 4 — приборы, группы и комплекты;
классы 5, 6 – функциональные узлы;
классы 7, 8, 9 — детали.
Каждый из классов разделен по установленным признакам на 10 секторов (от 0 до 9), каждый сектор — на 10 типов (от 0 до 9), каждый тип — на 10 видов (от 0 до 9). После буквенного кода организации записывают десятичную характеристику, назначаемую по классификатору, после характеристики — порядковый регистрационный номер, затем по мере надобности — шифр документа, например СБ, ТУ, ЗИП. Десятичная характеристика конструкторского документа состоит из четырех цифр, которые после-довательно обозначают класс, порядковый номер сектора в данном классе, порядковый номер типа в данном секторе и порядковый номер вида в данном типе. Например, десятичная характеристика чертежа кристалла выразится числом 7.344, где 7 — класс «Детали», 7.3 — сектор «Приборы электровакуумные, полупроводниковые, пьезоэлектрические», 7.34 — тип «Материал полупроводниковый», 7.344 — вид «Кристалл».
Структура обозначения согласно ГОСТ 2.201—80 по классификатору ЕСКД аналогична [13]:
Она относится к основному конструкторскому документу — чертежу детали или спецификации.
Структура кода классификационной характеристики:
Порядковый регистрационный номер присваивают по классификационной характеристике от 001 до 999 в пределах кода организации-разработчика при децентрализованном присвоении обозначения, а при централизованном присвоении — в пределах кода организации, выделенного для централизованного присвоения.
Для неосновного конструкторского документа, например схемы, добавляют к обозначению код (шифр) этого документа — не более четырех знаков, например ЭЗ; ИЭ12.
Обозначения для эскизных конструкторских документов (ГОСТ 2.102—68) устанавливаются в отрасли или организации (структура обозначения рекомендована ГОСТ 2.201—80).
При групповом и базовом способах выполнения конструкторских документов одно из исполнений условно принимается за основное. К его обозначению добавляют (через дефис) номер исполнения — двузначный от 01, можно трехзначный, или два двухзначных, разделенных точкой. Для неосновных документов их кодовое обозначение (шифр) добавляют после номера исполнения.
Структуру обозначения программ и программных документов устанавливают ГОСТ 19.103—77 «ЕСПД. Обозначение программ и программных документов» и ОСТ 11 091.905—78 «Система автоматизированного проектирования изделий электронной техники. Классификация и обозначение программ и программных документов».
Структура обозначения программы и спецификации на нее [13]:
Обозначения формируют согласно ОСТ 11 091.905—78:
код страны в обозначении не заполняют;
в качестве кода предприятия-разработчика используется различительный индекс предприятия, установленный для конструкторской документации;
регистрационный номер состоит из пяти знаков:
первый знак обозначает САПР изделий электронной техники — цифра 7;
второй и третий знаки представляют собой классификационный код, зависящий от направления проектирования изделий электронной техники, в соответствии с классификатором, приведенным в ОСТ 11091. 905—78, (коды приведены в табл. 3);
четвертый и пятый знаки — порядковый номер программы на данном предприятии.
Ниже приведен пример обозначения программы контроля топологии интегральной микросхемы (ИС):
Структура обозначений других программных документов:
Например:
Код вида документа определяется согласно табл. 4.
ГОСТ 2.104—68 устанавливает формы, размеры, порядок заполнения основных надписей и дополнительных граф к ним.
На рис. 12...15 представлены варианты основной надписи. В графе 1 записывают наименование изделия и документа, если ему присвоен шифр, в именительном падеже единственного числа. Наименование, состоящее из нескольких слов, начинают с имени существительного, например «Блок комбинированный. Схема электрическая принципиальная». В графе 2 записывают обозначение документа, составленное согласно ГОСТ 2.201—80, а в графе 3 – обозначение материала детали ( только на чертежах деталей). В графе 4 указывают слева направо литеру документа в зависимости от стадии разработки конструкторской документации (в учебном документе «Ф. И. О.» студента). В графе 5 записывают массу изделия: на чертежах для изготовления опытных образцов — расчетную массу, на чертежах, начиная с рабочей стадии, — фактическую, определенную измерением (взвешиванием) изделия. Массу записывают численно без единицы измерения, если она измерена в кило-граммах, если в других единицах — то с их указанием, например 0,25 т, 15 т. При необходимости указывают предельные отклонения массы в технических требованиях чертежа. Допускается не указывать массу на габаритных и монтажных чертежах, а также на чертежах деталей опытных образцов и единичного производства.
Таблица 3
Классификационные коды для обозначения программ и
программных документов
Окончание табл.3
Таблица 4
Коды видов программных документов (ГОСТ 19.101-77)
Окончание табл.4
Рис. 12. Основная надпись для чертежей и схем (первый лист)
Рис. 13. Основная надпись для текстовых КД (первый лист)
Графа 6 содержит масштаб, а графа 7 – порядковый номер листа (для документа, состоящего из одного листа, графу не заполняют).
Графа 8 содержит общее количество листов документа, а графа 9 – наименование или различительный индекс предприятия ( для учебных целей: СЗТУ и студенческий шифр).
Графы 10...13 определяют характер работы лица, подписавшего документ, его фамилию, подпись и дату подписания.
Графы 14...18 – это графы изменений, а графы 19...23 содержат инвентарный номер подлинника; подписи лиц, принявших подлинник или дубликат; дату приемки и др.
Графы 24 и 25 содержат обозначение документа, взамен или на основании которого выпущен данный документ; и обозначение документа, в котором впервые записан данный документ.
Рис. 14. Основная надпись для чертежей и схем (последующие листы)
а)
б)
Рис. 15. Основная надпись для текстовых КД (последующие листы):
а – нечетные листы; б – четные листы
Графа 26 — обозначение
документа, повернутое относительно
основной надписи на 180
,
помещается для формата А4 согласно рис.
16,а,
для больших форматов при расположении
основной надписи вдоль длинной стороны
листа — согласно рис. 16, б
и для формата больше А4 при расположении
основной надписи вдоль короткой стороны
листа — согласно рис. 16, в.
Графы 27...30 заполняются заказчиком, а графы 31...34 содержат дополнительную информацию по ГОСТ 2.301-68.
Графа, содержащая обозначение зоны, находится слева от таблицы изменений. Пример разбивки чертежа на зоны показан на рис. 17.
Рис. 16. Расположение графы (26) на поле чертежа
Рис. 17. Пример разбивки Рис. 18. Размеры чертежных
чертежа на зоны листов
Форматы. Масштабы. Форматы листов чертежей определяются согласно ГОСТ 2.301—68 размерами внешней рамки, выполненной тонкой линией. Рабочее поле чертежа обводится сплошной толстой линией, расположенной на расстоянии от внешней рамки: 20 мм слева и по 5 мм сверху, справа и снизу. Размеры основных форматов А4, А3, А2, А1, АО и схема образования дополнительных форматов показаны на рис. 18. При выполнении чертежей небольших простых деталей допускается формат А5 (148 Х 210 мм). Основную надпись на любых форматах, кроме А4 и А5, можно располагать вдоль короткой или длинной стороны. На формате А5 она располагается вдоль длинной стороны, а на формате А4 — вдоль короткой.
При выполнении чертежей применение масштабов обязательно. ГОСТ 2.302—68 устанавливает масштабы изображений и их обозначения на чертежах. Предпочтительным является масштаб 1:1. Масштабы уменьшения выбираются из ряда: 1:2; 1:2,5, 1:4; 1:5; 1:10; 1:15; 1:20; 1:25; 1:40; 1:50; 1:75; 1:100; 1:200; 1:400; 1:500; 1:800; 1:1000. Масштабы увеличения — 2:1; 2,5:1; 4:1; 5:1; 10:1; 20:1; 40:1; 50:1; 100:1. Масштаб указывают в основной надписи в соответствующей графе по типу: 1:1; 2:1 и т. д. Если масштаб какого-либо изображения отличается от масштаба, указанного в основной надписи, то непосредственно над изображением помещают надпись по типу: М 2:1; М 5:1.
При внесении изменений допускается отступление от масштаба чертежа, если не нарушается наглядность изображения.
Пластины, отверстия, фаски, пазы, имеющие размер на чертеже 2 мм и менее, а также элементы с разницей в размерах менее 2 мм могут быть изображены с отступлением от принятого масштаба в сторону увеличения. Можно утрировать малую конусность или уклон.
Основные виды текстовой конструкторской документации [13]. Текстовые КД в качестве шифра имеют две буквы. Шифра не имеет единственный текстовой документ – спецификация.
Спецификация – определяет состав сборочной единицы и необходима для изготовления изделия, комплектования КД и планирования запуска изделия в производство. Правила заполнения формы спецификации определяет ГОСТ 2.108-68. ОСТ 4.000.030-85 «Конструкторская документация. Выполнение спецификаций» дополняет указанный выше ГОСТ.
ВС – ведомость спецификаций. Содержит спецификации изделия и его составных частей (сборочных единиц) с указанием их количества и входимости.
ВД – ведомость ссылочных документов. Содержит перечень документов, на которые имеются ссылки во всех КД изделия. Порядок записи по разделам производят в следующей последовательности:
- документы предприятия;
- отраслевые стандарты;
- республиканские документы;
- государственные документы.
Наименования разделов подчеркиваются. В каждом разделе документы группируются по видам следующим образом:
- стандарты;
- технические условия (ТУ) на покупные изделия и материалы;
- руководящие технические материалы;
- инструкции и т. п.
ВП – ведомость покупных изделий. В ней перечислены все примененные покупные изделия и приведена их входимость.
В ведомости технического предложения (ПТ), эскизного проекта (ЭП) и технического проекта (ТП) записываются все КД, разработанные для данного изделия на соответствующей стадии проектирования.
ПЗ – пояснительная записка. Содержит описание устройства и принципа его действия, а также обоснование разработки.
ТУ – технические условия. Содержат требования к изделию, его изготовлению, контролю, приемке и поставке (ГОСТ 2.114-70).
ТЗ – техническое задание. Это двусторонний документ, разрабатываемый разработчиком и утверждаемый заказчиком. Он содержит: порядок разработки, согласования и утверждения ТЗ; технические требования на проектируемое изделие; порядок проведения экспертизы технической документации; порядок проведения испытаний и приемки опытного образца, а также порядок проведения контрольных испытаний продукции серийного, массового и единичного производств.
ТТ – технические требования. Содержат перечень необходимых свойств изделия.
ПМ – программа и методика испытаний. Содержат технические данные, подлежащие проверке при испытании изделия; порядок и методы их контроля.
РР – расчеты. Содержат правила изложения расчетов, а также расчеты параметров и величин.
ПФ – патентный формуляр. Содержит сведения о патентной чистоте изделия и отечественных изобретениях, использованных при его разработке (ГОСТ 15.012-84).
КУ – карта технического уровня и качества изделия. Содержит данные, определяющие уровень качества изделия, соответствие его технических и экономических показателей достижениям науки и техники и потребностям народного хозяйства (ГОСТ 2.116-84).
И – инструкция. Документ, содержащий указания и правила, используемые при изготовлении изделия.
ДП – ведомость держателей подлинников. Содержит перечень организаций-хранителей подлинников примененных в изделии документов.
Документы эксплуатационные (ГОСТ 2.601-68). Они служат для сообщения потребителю гарантированных предприятием-изготовителем техни-ческих параметров и для ведения им учета технического состояния и эксплуа-тации изделия. К ним относятся.
ТО – техническое описание. Содержит описание устройства и принципа его действия.
ФО и ПС – формуляр и паспорт. Паспорт содержит гарантированные параметры изделия, а формуляр – состояние изделия в процессе эксплуатации.
ИЭ – инструкция по эксплуатации. Содержит сведения по эксплуатации, транспортировке, хранению и обслуживанию.
ИО – инструкция по обслуживанию. Содержит порядок проведения регламентных работ.
ИМ - инструкция по монтажу, пуску, регулировке и обкатке на месте его применения.
ЗИ – ведомость запасных частей, инструмента и приспособлений.
ЭД – ведомость эксплуатационных документов.
Ремонтные документы. Они содержат данные для проведения ремонтных работ на специализированных предприятиях.
Общие требования к текстовым документам, формы и правила их выполнения содержатся в ГОСТ 2.105-79, 2.106-68 и справочнике [13]. Следует учесть, что ГОСТ 2.316-68 устанавливает перечень допускаемых сокращений слов, применяемых в основных надписях, технических требованиях и таблицах, на чертежах и в спецификации.
ГОСТ 19.101-77 «ЕСПД. Виды программ и программных документов», а также РМ 11091.901-79 «Система автоматизированного проектирования изделий электронной техники. Программное обеспечение вычислительных машин. Требования к программным документам» устанавливают виды программных документов, их содержание и требования к оформлению.
Основные виды графической конструкторской документации. Графические КД включают чертежи и схемы.
Чертежи [13]. Единственный вид чертежей, не имеющий шифра, так как является основным КД, - это чертеж детали. Он содержит изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля.
ВО – чертеж общего вида. Определяет конструкцию изделия, взаимодействие его основных составных частей и поясняет принцип действия изделия. Содержит изображение изделия в целом с проекциями, разрезами, сечениями и текстом, достаточными для уяснения конструктивного устройства изделия. Чертеж должен содержать сведения о составных частях изделия в таблице, выполненной на том же листе или на отдельных листах формата А4, обозначаемых как последующие листы того же чертежа. Рекомендуется вести запись в таблицу последовательно: изделия заимствованные, покупные, вновь разработанные.
СБ – сборочный чертеж. Содержит изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для сборки и контроля. Выпускается для каждой операции сборки.
ГЧ – габаритный чертеж. Содержит контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами с учетом крайних положений перемещающихся частей.
МЧ – монтажный чертеж. Содержит контурное (упрощенное) изображение изделия с данными для его установки (монтажа) на месте применения или при транспортировке.
МЭ – электромонтажный чертеж. Содержит данные, необходимые для выполнения электрического монтажа изделий. МЭ может быть совмещен со сборочным чертежом при условии, что он не затрудняет чтение получившегося чертежа.
УЧ – упаковочный чертеж. Содержит данные, необходимые для выполнения упаковывания изделия.
ТЧ – теоретический чертеж. Определяет геометрическую форму (обводы) изделия и координаты расположения составных частей.
Схемы – это документы [13], на которых показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними.
Схемы применяют при изучении принципа действия изделия при его изготовлении, наладке, контроле и ремонте, а также для понимания связи между составными частями изделия без уточнения особенностей их конструкции. Схемы являются исходным базисом для последующего конструирования.
Общие требования к выполнению схем.
1. Схемы выполняются без соблюдения масштаба и действительного пространственного расположения составных частей изделия.
2. Необходимое количество типов схем и их количество определяется разработчиком в зависимости от особенностей изделия. Комплект схем должен быть по возможности минимальным, но содержать сведения в объеме, достаточном для проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта изделия. Между схемами одного комплекта КД на изделие должна быть установлена однозначная связь, обеспечивающая возможность быстрого получения необходимой информации об элементах, устройствах и соединениях на всех схемах данного комплекта.
3. На схемах, как правило, используют стандартные графические условные обозначения. Если необходимо использовать нестандартизованные обозначения некоторых элементов, то на схеме делают соответствующие пояснения.
4. Следует добиваться наименьшего числа изломов и пересечений линий связи, сохраняя между параллельными линиями расстояние не менее 3 мм.
5. На схемах допускается помещать различные технические данные, характеризующие схему в целом и отдельные ее элементы. Эти сведения помещают либо около графических обозначений, либо на свободном поле схемы, как правило, над основной надписью.
ГОСТ 2.701-84 устанавливает классификацию, обозначение схем и общие требования к их выполнению. Стандартом установлены также термины, используемые в КД, и их определения.
Элемент схемы – составная часть схемы, которая выполняет определенную функцию и не может быть разделена на части, имеющие самостоятельное значение (микросхема, резистор, конденсатор и др.).
Устройство – совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (блок, модуль). В ряде случаев устройство может не иметь определенного функционального назначения.
Функциональная группа – совокупность элементов, выполняющих определенную функцию и не объединенных в единую конструкцию (усилитель, генератор и т. п.).
Функциональная часть – элемент, устройство или функциональная группа, имеющие строго определенное функциональное назначение.
Функциональная цепь – линия, канал, тракт определенного назначения (канал звука, видеоканал и т. п.).
Линия взаимосвязи – отрезок линии на схеме, указывающей на наличие связи между функциональными частями изделия.
Линия электрической связи – линия на схеме, указывающая путь прохождения тока, сигнала и т. п.
Схемы подразделяются на виды и типы (табл. 5). В соответствии с обозначениями, приведенными в табл. 5, устанавливается код схемы: виду соответствует буква, типу – цифра. Так, схема Э3 – это схема электрическая принципиальная, схема К2 – схема кинематическая функциональная и т. д.
Схемы деления выпускаются для определения состава изделия. Комбинированные схемы выпускаются для случая, когда на поле схемы присутствуют, как минимум, два вида схем.
Структурная схема – определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Схемой пользуются для общего ознакомления с изделием. Схемы разрабатывают при проектировании изделий на стадиях, предшествующих разработке схем других типов.
Функциональная схема служит для разъяснения процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Схемами пользуются для изучения принципов работы изделий, а также при их наладке, контроле и ремонте в процессе эксплуатации.
Таблица 5
Виды и типы схем
|
Виды схем (зависят от элементов и связей, входящих в состав изделия) |
Типы схем (зависят от основного назначения) |
|
Электрические Э Гидравлические Г Пневматические П Кинематические К Оптические О Вакуумные В Газовые Х Автоматизации А Энергетические Р Комбинированные С Деления Е
|
Структурные 1 Функциональные 2 Принципиальные 3 Соединений 4 Подключения 5 Общие 6 Расположения 7 Прочие 8 Объединенные 0 |
Принципиальная (полная) схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия. Ими пользуются для изучения принципов работы изделий, а также при их наладке, контроле и ремонте, и служат основанием для разработки других КД.
Схема соединений (монтажная) показывает соединения составных частей изделия и определяет провода, жгуты, кабели, которыми осущест-вляются эти соединения, а также места их присоединения и ввода (разъемы, платы, зажимы и т. п.).
Схема подключений показывает внешние подключения изделия.
Общая схема определяет составные части комплекса и соединения их между собой на месте эксплуатации.
Схема расположения определяет относительное расположение составных частей изделия, а при необходимости также жгутов, проводов, кабелей и т. п.
Объединенная схема – это схема, которая содержит на одном КД схемы двух или более типов, выпущенных на одно изделие.
На схеме одного вида разрешается изображать элементы схем другого вида, а также элементы и устройства, не входящие в изделие, но необходимые для разъяснения принципов его работы. Графические обозначения таких элементов и устройств отделяют на схеме штрихпунктирными тонкими линиями, указывая местонахождение элементов и другие необходимые данные.
Разрешается разрабатывать совмещенные схемы, когда на схемах одного типа изображают фрагменты схем других типов, например, на схеме соединений изделия показывают его внешние подключения.
Номенклатура, наименования и коды совмещенных и прочих схем устанавливаются отраслевыми нормативно-техническими документами.
При выпуске на изделие или установку нескольких схем определенного вида и типа в виде самостоятельных документов допускается в наименовании схемы указывать название функциональной цепи или функциональной группы (например, схема электрическая принципиальная привода, схема гидрав-лическая принципиальная охлаждения). В этом случае каждой схеме присва-ивают обозначение по ГОСТ 2.201-80 как самостоятельному конструкторскому документу. Начиная со второй схемы, к коду схемы в обозначении добавляют через точку порядковые номера (например, АБВГ.ХХХХХХ.ХХХЭЗ, АБВГ.ХХХХХХ.ХХХЭ 3.1).
К схемам или взамен схем могут быть выпущены таблицы, содержащие сведения о расположении устройств, соединениях, местах подключения и другую информацию. Таблицы выпускают в виде самостоятельного документа, присваивая ему код, состоящий из буквы Т и кода схемы, например ТЭ4 –таблица соединений к электрической схеме соединений. В этом случае в графе 1 основной надписи документа указывают наименование изделия и наименование документа «Таблица соединений».
Таблицы соединений в спецификацию записывают после схем, к которым или вместо которых они выпущены.
Комбинированные схемы. Комбинированную схему разрабатывают для изделия, в состав которого входят элементы разных видов. Изображение элементов (устройств, функциональных групп) и связей каждого вида (электрических, гидравлических, пневматических и т. п.), а также оформление схемы в целом должны удовлетворять правилам, установленным для соответствующих видов схем данного типа. Элементам на схеме присваивают позиционные обозначения, сквозные в пределах схемы. Для различия одинакового написания элементов (устройств, функциональных групп) их подчеркивают, начиная с элементов, относящихся ко второй по виду схеме, указанной в наименовании. Например, в схеме электрогидравлической принципиальной одной чертой подчеркивают обозначения гидравлических элементов; в схеме гидропневмокинематической принципиальной – одной чертой обозначения пневматических элементов, двумя – кинематических.
Позиционные обозначения [20]. Всем элементам, устройствам и функциональным группам изделия, изображенным на схеме, присваиваются позиционные обозначения, содержащие информацию о виде элемента (устройства, функциональной группы) и его порядковом номере в пре- делах данного вида. При необходимости записывают информацию о функции, выполняемой данным элементом (устройством, функциональной группой) в изделии. Позиционное обозначение состоит в общем случае из трех частей, имеющих самостоятельное смысловое значение. Их записывают без разделительных знаков и пробелов одним размером шрифта. В первой части указывают вид элемента (устройства, функциональной группы) одной или несколькими буквами согласно ГОСТ 2.710—81, например: R – резистор, С - конденсатор, ВS — звукосниматель; во второй части — порядковый номер элемента (устройства, функциональной группы) в пределах данного вида, например: R1, R2, ..., R12, С1, С2, С14; в третьей части допускается указывать соответствующее функциональное назначение, например: С4I — конденсатор С4, используемый как интегрирующий. Порядковые номера присваивают, начиная с единицы, в пределах группы с одинаковыми позиционными обозначениями в соответствии с последовательностью расположения элемен-тов на схеме, считая, как правило, сверху вниз в направлении слева направо.
Позиционные обозначения проставляют рядом с условными графическими обозначениями (УГО) элементов с правой стороны или над ними.
При изображении
на схеме элемента (устройства,
функциональной группы) разнесенным
способом позиционные обозначения
элемента или устройства проставляют
около каждой составной части (рис. 19).
При этом в позиционное обозначение
элемента, функциональной группы или
устройства допускается включать
обозначение устройства (группы), в
которое входит элемент, например: ==
АЗ—С5 — конденсатор С5, входящий в
устройство АЗ;
Т1—С5
— конденсатор С5, входящий в функциональную
группу Т1. (Знаки «=»,«
»
— квалифицирующие символы — приведены
в табл. 6).
Если поле схемы разбито на зоны или схема выполнена строчным способом, то позиционное обозначение составных частей элементов, выполненных разнесенным способом, включает обозначение зон или номера строк, в которых изображены все остальные составные части элемента или устройства. Их указывают в скобках под позиционным обозначением или справа от него (рис. 20).
Рис. 19. Простановка позиционных Рис. 20. Указания зон или
обозначений при изображении номера строки в позицион-
элементов и устройств разнесен- ных обозначениях
ным способом
У одного условного графического обозначения, заменяющего несколько графических обозначений одинаковых элементов, указывают позиционные обозначения всех элементов. При отсутствии элементов в некоторых цепях, изображенных однолинейно, справа от позиционного обозначения или под ним записывают в квадратных скобках обозначения цепей, в которых эти элементы имеются.
Таблица 6
Классифицирующие символы условных обозначений
При параллельном соединении допускается вместо изображения всех ветвей параллельного соединения изображать только одну ветвь, указывая количество ветвей при помощи обозначения ответвления. Позиционные обозначения элементов, устройств, функциональных групп проставляют с учетом всех ветвей, входящих в параллельное соединение.
При последовательном соединении вместо изображения всех последовательно соединенных элементов, устройств, функциональных групп допускается изображать только первый и последний элементы, показывая электрические связи между ними штриховыми линиями. Над штриховой линией указывают общее количество одинаковых элементов. В позиционных обозначениях при этом должны быть учтены элементы, устройства, функциональные группы, не изображенные на схеме.
Элементам, входящим в функциональные группы, присваивают позиционные обозначения по общим правилам. При наличии в изделии нескольких одинаковых функциональных групп позиционные обозначения элементов, присвоенные в одной из этих групп, повторяют в последующих. Элементам, входящим в устройства, присваивают позиционные обозначения в пределах каждого устройства.
В некоторых случаях (например, в принципиальных схемах на полупроводниковую интегральную микросхему) около условных графических и позиционных обозначений указывают номиналы резисторов и конденсаторов.
Перечень элементов. Все сведения об элементах, входящих в состав изделия и изображенных на схеме, записывают в перечень элементов, который помещают на первом листе схемы или выполняют в виде самостоятельного документа.
В первом случае перечень оформляют в виде таблицы, заполняемой сверху вниз по формам рис. 21 и 22, как правило, над основной надписью на расстоянии не менее 12 мм от нее. Продолжение перечня помещают слева от основной надписи, повторяя головку таблицы.
Во втором случае перечень элементов выполняют на формате А4 с присвоением шифра, состоящего из буквы П (перечень) и кода схемы, к которой выпускается перечень, например: ПЭЗ — перечень элементов к принципиальной электрической схеме.
Рис. 21. Обычная форма таблицы перечня элементов
Рис. 22. Форма таблицы перечня элементов для случая разбивки поля схемы на зоны
Элементы цифровой техники (ЭЦТ) [17]. Элемент схемы – изделия или части изделия, реализующие функцию или систему функций алгебры логики, а также элементы, не выполняющие функции алгебры логики, но применяемые в логических цепях (генератор, усилитель и т. д.). Микросхема является наиболее часто используемым элементом.
Микросхемы, входящие в состав электрических схем, обозначаются следующим образом. УГО микросхем не имеет рекомендованных размеров и построено на основе прямоугольника.
В самом общем виде УГО может содержать основное и два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного (рис. 23).
Размер прямоугольника по ширине зависит от наличия дополнительных полей, и числа помещенных в них знаков, по высоте – от числа выводов, интервалов между ними и числа строк информации в основном и дополнительных полях. Согласно стандарту ширина основного поля должна быть на менее 10 мм, дополнительных – на менее 5 мм, расстояния между выводами – 5 мм, между выводом и горизонтальной стороной обозначения (или границей зоны) – не менее 2,5 мм и кратна этой величине [ЕСКД]. При разделении групп выводов интервалом величина последнего должна быть не менее 10 мм и кратна 5 мм.
Выводы элементов
ЭЦТ делятся на входы, выходы, двунаправленные
выводы и выводы, не несущие информации.
Входы изображают слева, выходы – справа
(рис. 24), остальные выводы – с любой
стороны УГО. При необходимости разрешается
поворачивать обозначение на угол
по часовой стрелке, т. е. располагать
входы сверху, а выходы – снизу.
Функциональное назначение ЭЦТ указывают в верхней части основного поля УГО (рис. 23). Его составляют из прописных букв латинского алфавита, арабских цифр и специальных знаков, записываемых без пробелов (число знаков в обозначении не ограничивается).
Обозначения основных функций и их производных приведены в табл. 7. В последующих строках – соответствующую информацию по ГОСТ 2.708-81; в дополнительных полях – информацию о функциональных назначениях выводов – указатели, метки, обозначения которых приведены в табл. 8 и на рис. 25. Все надписи выполняют основным шрифтом по ГОСТ 2.304-81.
Рис. 23. Общее обозначение
Рис. 24. Изображение выводов ЭЦТ
Таблица 7
Обозначения основных функций и их производных ЭЦТ
Продолжение табл. 7
Окончание табл. 7
Таблица 8
Обозначения указателей и меток
-
Наименование
Обозначение
Установка:
в состояние п
Sn
в состояние ,.логическая 1"
S
в состояние „логический 0"
R
в исходное состояние (сброс)
SR
Разрешение установки универсального JK-триггера:
в состояние „логическая 1" (J-вход)
J
в состояние „ логический 0" (K-вход)
K
Вход увеличения (инкрементация) содержимого эле-
мента на величину n
+ п
Вход уменьшения (декрементация) содержимого эле-
мента на величину п
- п
Вывод двунаправленный
или < >Выход, изменение состояния которого не происходит
до тех пор, пока входной сигнал, вызывающий это измене-
ние, не возвращается в свое исходное состояние
Авария (ошибка)
ER
Адрес
А
Адрес по координатам:
X
X
Y
Y
Больше
>
Больше или равно
или > =Байт
BY
Бит
BIT
Блокировка (запрет)
DE
Буфер
BF
Выбор
SE
Готовность
RA
Данные
D
Заем
BR
Запись (команда записи)
WR
Запрос (требование)
RQ
Захват
TR
Знак
SI
Исполнение (конец)
END
Инструкция (команда)
INS
Квитирование
AK
Контроль
CH
Маска (маскирование)
MK
Маркер
MR
Меньше
<
Меньше или равно
или < =Младший
LSB
Начало
BG
Продолжение табл. 8
Окончание табл. 8
-
Наименование
Обозначение
Вывод питания от источника напряжения
U
Допускается:
перед буквой Uпроставлять номинал напряжения
в вольтах, проставляя при этом вместо буквы U буквуV
и указывать при необходимости полярность напряже-
ния
+ 5 V
после буквы U проставлять поясняющую ин-
формацию:
порядковый номер
U 1
указатель питания цифровой части элемента
U #
указатель питания аналоговой части элемента
илиU Vпризнак информационного питания
UD
Общий вывод
OV
Вывод питания от источника тока
I
Допускается:
перед буквой Iпроставлять номинал тока в милли-
амперах
140I
проставлять номинал тока в амперах, проставляя
вместо буквы IбуквуА
0,14 A
после буквы I- порядковый номер
I 2
Коллектор
K
Эмиттер:
общее обозначение
Е
NPN
Е
илиЕ >PNP
Е
илиЕ <База
В
Вывод для подключения:
емкости
С
резистора
R
индуктивности
L
Рис. 25. Обозначение УГО ЭЦТ: 1 – основное поле с левым и правым дополнительными полями; 2 – основное поле с дополнительными полями, разделенными на зоны; 3 – выводы (входы) элемента; 4 – выходы; 5 – изображения групп элементов: а – совмещенное и б – несовмещенное
Обозначения выводов [17]. Вывод элемента должен иметь условное обозначение, которое выполняют в виде указателей и меток. Размер указателя должен быть не более 3 мм. Указатели проставляют на линии контура УГО или на линии связи около линии контура УГО со стороны линии вывода.
Указатель нелогических выводов не проставляют на выводах УГО в том случае, если он проставлен перед символом функции. Обозначения выводов представлены на рис. 26. Первая форма изображения на каждом из 5-ти частей рисунка является предпочтительной.
Рис. 26. Обозначения выводов: 1 – прямой статический вход (а) и выход (б); 2 – инверсные статический вход (а) и выход (б); 3 – динамические входы: а – прямой, б – инверсный; 4 – выход, не несущий логической информации: а – изображенный слева; б – изображенный справа; 5 – указатели полярности: а – вход, б – выход
Метки для обозначения выводов, не несущих логической информации, рекомендуется использовать по ГОСТ 2.743-82 [17].
Элементы аналоговой техники [17]. УГО этой группы построены аналогично символам ЭЦТ: как и последние, кроме основного, они могут содержать одно или два дополнительных поля, их размеры также определяются числом выводов, числом знаков на метках, обозначением функций и т. д. Прямые входы и выходы обозначают линиями, присоединяемыми к контуру обозначения без каких-либо знаков, инверсные – с кружком в месте присоединения. Назначения выводов указывают метками, помещаемыми на дополнительных полях. Эти метки приведены в ГОСТ 2.759-82, а также в [17] и [13].