KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

2

Введение

Электрические и электронные компоненты в РЭС – это электрорадиоэлементы (ЭРЭ), интегральные микросхемы (ИС) и устройства функциональной электроники (УФЭ). РЭС – это одно из направлений электроники. Разнообразные приборы являются частью радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) различного назначения.

Электрорадиоэлементы (ЭРЭ) включают соединители, резисторы, конденсаторы, индуктивности и другие. Интегральные микросхемы (ИС) включают полупроводниковые и гибридные, устройства функциональной электроники (УФЭ) – приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные приборы, оптоэлектронные приборы и другие.

Резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы представляют собой металлургические конструкции, распределение химических элементов, в которых в процессе эксплуатации не должно изменяться (процессы эксплуатационного старения, деградации и т. д. рассматриваются отдельно), т. е. они образуются на так называемых статистических неоднородностях и конструкторско-технологической интеграции.

Функциональная электроника – это новое перспективное направление в современной элементной базе РЭА. Устройства функциональной электроники основаны на использовании динамических неоднородностей и физических принципов интеграции. Это отличает их от транзисторов, диодов. ИС и других элементов РЭА.

В данном курсе рассматривают конструкции, принципы функционирования различных радиотехнических устройств, образующих элементную базу средств медицинской электроники.

Раздел 1.

Тема 1.1 Введение. Радиоэлектронная аппаратура. Элемент. Компонент. Понятие и функции. Сигналы и их виды. Конструкция. Конструирование и технология средств медицинской электроники.

Радиотехника. Это область науки и техники, основанная на применении электромагнитных волн для передачи, преобразования, обработки и хранения информации. Информация играет все возрастающую роль в жизни человеческого общества

В зависимости от того, каков характер и назначение информации, передаваемой и извлекаемой с помощью радиотехнических средств, в радиотехнике принято рассматривать разные радиотехнические системы (РТС), например, радиолокационные, радионавигационные, медицинские и др.

3

Радиотехнические системы можно определить как управляемый оператором комплекс РЭА, размещаемой на объектах и подвергающейся воздействиям внешней среды и радиоволн (радиосигналов и помех) в пространстве.

Радиоэлектронная аппаратура предназначена для передачи, обработки и преобразования сигналов и информации, которая в них содержится, в соответствии с принципом действия РТС. Свойства РЭА описываются совокупностью параметров и характеристик: радиотехнических, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических. По функциональному признаку РЭА можно разделить на устройства: антеннофидерные, передающие, приемные, обработки информации и др.

Преобразование сигналов. Рассмотрим наиболее характерные преобразования сигналов в РЭА.

1.Излучение и прием сигнала на антенну.

2.Усиление сигнала. Для этого необходимо использование активных элементов: транзисторов, электровакуумных приборов и т. д.

3.Фильтрация сигнала (выделение его из помех).

4.Генерация колебаний разной формы.

5.Модуляция и демодуляция. Они необходимы для "наложения" сообщения на высокочастотный сигнал или выделения из него. Как правило, эти функции осуществляются с использованием нелинейных преобразователей.

6.Запоминание информации (сигналов и алгоритмов преобразований сигналов). Выполнение этих и алгоритмов обуславливается в основном внедрением в РЭА микропроцессорных устройств, функционирование которых определяется программой, записанной в запоминающей устройствах.

7.Вторичное преобразование информации, т.е. сигналов, отображающих информацию. Выполняется обычно специализированными ЭВМ, работающими совместно с РЭА.

8.Отображение информации. Если потребителем информации, выдаваемой радиотехнической системой, является какое-то устройство, например ЭВМ, то эта функция может отсутствовать в РЭА. Если потребитель информации – человек, то она должна быть представлена в виде, удобном для зрительного и слухового восприятия.

9.Коммутация и соединение цепей. Это функции связаны с необходимостью переключения режимов, подключения измерительных устройств, электрического соединения элементов, расположенных в разных конструктивах и пространственно разнесенных и т.п.

Основные функции, выполняемые на основе обработки сигналов различными устройствами в приборах медицинской электроники.

4

Важнейшие функции, выполняемые различными устройствами в РЭА, направлены на преобразование сигналов, запись и хранение информации, ее отображение, замыкание, размыкание цепей и т. д.

Все радиотехнические сигналы, за исключением случайных, регулярны и выражены определенной функцией времени. Регулярные сигналы разделяются на периодические и непериодические. Периодические сигналы несут информацию только в одном периоде.

Сигналы могут быть синусоидальными, несинусоидальными, прямоугольными, дискретными управляющими сигналами в виде периодической последовательности прямоугольных и трапецеидальных импульсов, случайными сигналами и сигналами, полученными амплитудной модуляцией колебаний несущей частоты.

Синусоидальный сигнал характеризуется амплитудой Um, периодом T или частотой ω =2π / T, начальной фазой – ψ. Если начало синусоиды смещено по оси на t0 , но начальная фаза ψ =ω t0 . Знак этой фазы отрицательный при сдвиге синусоиды вправо. Мгновенное значение синусоидального напряжения U=Um sin(ω t+ ψ).

Характеристики импульсных сигналов: длительность фронта τф; среза τс (заднего фронта); импульса τ; период следования Тс; частота следования Fс; отношение Тс / τ , называемое скважностью.

Анализ периодических сигналов производят не только временным способом, но и спектральным, который основан на разложении сигналов в тригонометрический ряд Фурье. Цель временного анализа определить – изменение формы сигнала по отклику цепи на оказываемое воздействие. Спектральный анализ позволяет выявить изменение сигнала по преобразованию спектра данной цепью.

Мгновенное значение сигналов можно записать в виде ряда Фурье:

∞ ∞

U=U0+∑U'n=1 nm sin nω t+ ∑U''n=1 nm cos nω t

где U0 – постоянная составляющая; Unm – амплитуда n – гармоники;

U'nm= Unm cos ψn ; U''nm= Unm sin ψn .

Такая запись удобна для сигнала с четной или нечетной временными функциями. Спектральная функция "четного" сигнала содержит только постоянные и косинусовые составляющие, а "нечетного" – только постоянные и синусовые составляющие. Спектр периодических сигналов не сплошной, а линейчатый, т. е. между соседними линиями спектра имеются "просветы" шириной в частоту следования сигналов Fс = I / Тс (рис. 1.1).

Фильтрация – это такой вид преобразования сигналов, который предназначен для выделения ряда гармонических составляющих из спектра частот несинусоидальных колебаний. Фильтр должен пропустить колебания в определенном интервале частот, который называется полосой прозрачности, и максимально ослаблять их на других частотах, образующих полосу задерживания, или непрозрачности. Величину ωс, разделяющую эти полосы,

5

называют частотой среза, или граничной частотой фильтра. Различают фильтры нижних частот (НЧ), ВЧ, полосовые пропускающие (полосовые) и полосовые задерживающие (заграждающие, режекторные) фильтры

U

3F1 f

Тс

Рис. Форма периодического сигнала и его частотный и фазовый спектры

Рис. Частотные характеристики идеального (а) и реального фильтров НЧ (б), ВЧ (в) и полосового фильтра (г)

Фильтры на дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ) строятся в виде цепочки линейных четырехполюсников – Г-образные, Т– образные, П – образные.

Электромеханические фильтры – пьезоэлектрические, магнитострикционные и на поверхностных акустических волнах позволяют получить весьма узкую полосу пропускания, достигающую 0,1% ω0. В области высоких частот фильтрами могут служить цепи с распределенными параметрами – длинные волны, согласованные с нагрузкой. На высоких частотах фильтр НЧ приобретает свойства интегрирующей цепи.

Усиление сигналов. Усилителем называется четырехполюсник, предназначенный для увеличения за счет энергии источника питания интенсивности колебаний при неизменной, по возможности, их форме. Различают усилители напряжения, тока и мощности. В усилителях напряжения сигнал одновременно усиливается и по мощности. Тем самым усилитель принципиально отличается от трансформатора или колебательного

6

контура, которые способны повышать интенсивность колебаний только по напряжению или току, но не по мощности.

Временная задержка сигнала осуществляется в РЭА с помощью линий задержки (ЛЗ). ЛЗ называется четырехполюсник, который задерживает сигнал на заданное время ( τз ) без искажения его формы. Допускается изменение амплитуды сигнала на выходе ЛЗ.

Основными характеристики линий задержки, кроме τз являются – полоса пропускания, линейность фазовой характеристики, волновое сопротивление, добротность, коэффициент передачи.

Коммутация и разъединение цепей. В зависимости от вида коммутируемых цепей соединительные изделия подразделяются на 5 групп; низкочастотные, низковольтные соединители (разъемы), высоковольтные соединители, радиочастотные соединители, импульсные соединители и комбинированные соединители.

Электропитание РЭА. К устройствам электропитания предъявляются следующие требования: надежность при различных режимах работы основных блоков РЭА; малые габариты и вес; низкая стоимость составляющих компонентов, высокая стабильность параметров; отсутствие импульсных нагрузок при включении и выключении.

Для выполнения указанных 9 типов преобразований сигналов в аппаратуре и ее устройствах используются элементы с разными электрическими, магнитными и электромагнитными свойствами, соединенные между собой по определенной схеме. В общем случае рекомендуется следующее определение элемента системы: часть системы, выполняющая заданные функции и не подлежащая дальнейшему расчленению на части при данной степени подробности рассмотрения системы. Элементами могут быть детали, узлы, агрегаты, аппараты, машины, приборы. Применительно к РЭА под элементом следует понимать начальную, неразделяемую составную часть целого, выполняющую заданное преобразование сигналов.

Элементы, предназначенные для преобразования сигналов, могут выполнять разные функции и будут рассматриваться ниже. Те элементы РЭА, которые выполняют механические функции (крепление, увеличение жесткости) и не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, рассматриваться не будут. Каждый элемент основан на определенном принципе действия и описывается электрическими, конструктивно-технологическими, экономическими параметрами и характеристиками.

Совокупность нескольких элементов, объединенных в одной конструктивной единице (микросхема, ее часть, узел, блок и т. д.), и выполняющая заданную функцию, называется компонентом.

Между аппаратурой, элементами и компонентами существует принципиальное отличие, состоящее в том, что аппаратура является человекомашинной системой, т. е. предназначена для ее самостоятельного использования в условиях эксплуатации персоналом, который обеспечивает

7

функционирование аппаратуры и получение требуемой информации. Элементы и компоненты не предназначены для самостоятельного использования в эксплуатации, но могут быть очень сложными, например, большие интегральные схемы (БИС). Таким образом, элементы аппаратуры входят в сложную многоуровневую иерархическую систему, которой является РЭА. Они представляют начальный (первый) уровень РЭА.

Деление на элементы, компоненты, узлы, блоки и т. д. в зависимости от сложной элементной базы и изделия в целом является условным.

Развитие элементной базы РЭА.

Поколения РЭА. Развитие элементной базы РЭА, в том числе и СМЭ прошло четыре этапа, которые в основном связаны с развитием элементной базы. Обычно говорят о четырех поколениях РЭА:

Развитие элементной базы определяется потребностями СМЭ и основано на достижениях физики, технологии и производства. Особенно быстро она стала развиваться с начала 60-х гг., когда достижения физики создали основу для появления микроэлектроники. Это привело к формированию в конструкции и технологии самостоятельного направления – конструирования и технологии радиоаппаратуры.

Четвертый этап продолжается и в настоящее время. Существуют и другие классификации, особенно в отдельных направлениях РЭА.

Задачи конструкторов-технологов средств медицинской электроники в исследовании, проектировании, производстве ЭРЭ и УФЭ

Основные определения. Сформулируем основные определения, относящиеся к понятиям: конструкция, конструирование, технология.

Конструкция – материал целесообразно организованный в пространстве. Под словом "целесообразно" применительно к техническим конструкциям понимается: способность выполнять определенные функции и сохранять свойства, обеспечивающие выполнение функций, при наличии внешних воздействий; пригодность к высокоэффективному повторению, т. е. производству. Такое определение является наиболее общим, оно относится как к ЭРЭ, так и к УФЭ и ИС. Для конструкции, состоящей из совокупности раздельно изготавливаемых и собираемых деталей, пригодно следующее определение. Конструкция есть организованная совокупность элементов и деталей, способная выполнять заданные функции при наличии внешних и

8

внутренних дестабилизирующих факторов и пригодная к повторению в условиях производства.

Конструирование – процесс создания конструкции или область деятельности инженеров по созданию конструкций.

Технология – это совокупность способов, процессов обработки и оборудования, используемых при изготовлении элементов конструкции и сборке аппаратуры (механическом и электрическом соединении), обеспечивающих получение заданной конструкции с высокой производительностью и малыми затратами. Вместе с тем под термином "технология" понимают область деятельности инженеров по проектированию технологических процессов и приспособлений.

Использование системного подхода. В настоящее время в науке и технике при исследованиях, проектировании, производстве и эксплуатации общее признание получил системный подход. Он связан с понятием "система". Под системой следует понимать совокупность взаимосвязанных разнообразных устройств или частей, совместно выполняющих заданные функции в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом их развития

ипротиворечий. Каждая система состоит из частей или подсистем, и, в свою очередь, входит в систему более высокого иерархического уровня.

Важной задачей всегда остаются повышение технической эффективности

иснижение стоимости РЭА.

Гибкие автоматизированные производительные системы (ГАПС)

Коренные изменения в автоматизации производства связаны с внедрением роботов и вычислительной техники. Широкое использование вычислительной техники в технологии совместно со станками ЧПУ и программируемыми роботами привело к созданию роботизированных участков и ГАПС. Общие вопросы создания и эксплуатации ГПС освещены в специальной литературе. В последующем под ГАПС будем понимать такие производственные системы, в которых смена объекта изготовления достигается сменой программы, на основе которой ЭВМ управляет исполнительными органами, т. е. роботами, манипуляторами. Это позволяет при определенных ограничениях на одном и том же оборудовании без изготовления нового инструмента и приспособлений изменять изготовляемые детали и узлы.

В настоящее время на основе ГАПС успешно решаются задачи автоматизации производства широкой номенклатуры деталей с механической обработкой, простых узлов, изготовление которых предусматривает несложные сборочно-регулировочные операции, а также конструкций типа печатных плат и др. При этом следует иметь в виду, что оборудование ГАПС оказывается более сложным, чем предназначенное для традиционного

9

изготовления и чем "жесткие" автоматы. Исходя из изложенного применительно к ЭРЭ, следует сформулировать условия, при которых целесообразно или нецелесообразно ориентироваться на ГАПС. Для ЭРЭ, УФЭ и деталей, входящих в их состав, возможны три случая.

1.Детали или ЭРЭ данного типономинала выпускаются в массовых количествах в условиях, когда не требуется частая перестройка оборудования, например, такие детали, как ферритовые сердечники, лепестки и такие ЭРЭ, как некоторые типы резисторов и конденсаторов и др.

2.Детали или ЭРЭ ряда типономиналов выпускаются серийно на основе использования базовой конструкции, но с большим количеством вариантов в пределах этой базовой конструкции, например, такие детали, как втулки, оси

итакие ЭРЭ, как катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели и др.

3.Электрорадиоэлементы и УФЭ выпускаются в небольших количествах, отличаются сложностью конструкций и использованием разнохарактерных технологических процессов, для которых еще не выработаны базовые конструкции, например, запоминающие устройства на ЦМД и т.п.

Стандартизация ЭРЭ УФЭ. Существует Государственная система стандартов (ГСС). Основными целями ее введения являются ускорение технического прогресса, повышение эффективности общественного производства, производительности инженерного труда и т. д. Стандартизация имеет важнейшее значение и в конструировании РЭА и их элементов.

Определение стандартизации дано в ГОСТ-1.0-68: установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области. Стандартизация основывается на объединенных достижениях науки, техники, передового опыта. Она определяет основу будущего развития. Опережающая стандартизация - стандартизация, заключающаяся в установлении повышенных по отношению к уже достигнутому на практике уровню норм, требований к элементам, которые согласно прогнозам будут оптимальными в будущем.

Наибольшее применение в конструировании элементов РЭА имеет система стандартов ЕСКД. В эту систему входит много стандартов, например ГОСТ 2.001-70 – общие положения; ГОСТ 2.101.-68 – виды изделий; ГОСТ 2.102-68 – виды и комплектность конструкторской документации; ГОСТ 2.103-68 – стадии разработки конструкторской документации; ГОСТ 2.105-79 ГОСТ 2.106-68 – общие требования к текстовым документам; ГОСТ 7.32-81 – требования к отчетам по НИР и т. д.

10