1.2. Основные понятия и определения процесса проектирования
Термин радиоэлектронная средства (РЭС) используют для обозначения устройств различного назначения, имеющих признак общности – использование в комплексной системе обработки информации в целях обеспечения связи, навигации, управления технологическими процессами изготовления изделий в промышленности, научных исследований и других видов человеческой деятельности.
Все виды РЭС состоят из деталей. Деталь – это простейший элемент, имеющий ограниченный комплекс свойств, соответствующий его функциональному назначению и изготовленный из одного или нескольких материалов без использования механической сборки. Следует отметить, что приведенное определение в большей степени относится к машиностроительным единицам, поскольку практически ко всем деталям РЭС этот термин неприемлем. Причиной являются сборочные операции при их изготовлении. Тем не менее, использование термина «деталь» правомочно, т. к. детали РЭС имеют строго определенное функциональное назначение. При конструировании РЭС часто используются термины «элемент» и «компонент», являющиеся в данной предметной области практически синонимами термина «деталь».
По функциональному признаку все элементы и компоненты РЭС условно относятся к одной из групп:
схемотехнических элементов – схемотехническая (элементная) база РЭС;
конструктивных элементов – конструктивная база РЭС.
Схемотехнические элементы, их компоновка и взаимосвязь в составе РЭС обеспечивают преобразование сигналов различной физической природы для целей, определяемых назначением изделия. Основу современной схемотехнической базы составляют микросхемы, микросборки и микроэлектронные узлы в корпусах или без них. Наряду с микроэлементной базой используются дискретные резисторы, постоянные и переменные конденсаторы, трансформаторы, переключатели, соединители, индикаторы.
Конструктивные элементы, входящие в состав РЭС, обеспечивают механическую прочность, защиту от внешних воздействий, дестабилизирующих работу РЭС (влаги, росы, инея, пониженного или повышенного давления, внешних электрических и магнитных полей), и механическое управление РЭС. Основу конструктивной базы составляют отдельные монтажные детали и несущие конструкции.
Несущие конструкции предназначены для механического закрепления, защиты от внешних воздействий и обеспечения доступности схематических элементов при сборке и эксплуатации РЭС. К конструктивной базе также относят:
а) механические устройства управления в виде кнопочных и рычажных устройств и ручек, с помощью которых обеспечивается плавное или скачкообразное вращательное или поступательное движение рабочих органов регуляторов (резисторов, конденсаторов и т. п.);
б) механизмы для механического перемещения подвижных рабочих элементов РЭА, таких как пленочные, дисковые и другого типа носители информации; электромагнитные элементы; электродвигатели, сельсины, электромагнитные муфты приводов.
Относительная условность разделения первичных элементов РЭС на схемотехнические и конструктивные обусловлена тем, что некоторые из них выполняют функции элементов обеих групп. Например, печатная плата является не только конструктивным несущим элементом для электрорадиоэлементов, но и местом размещения их электрических соединений.
Схемотехнические и конструктивные элементы объединяются в конструктивно-законченные единицы, входящие в состав РЭС в виде пультов, блоков, шкафов, частных конструкций плат с установленными микросхемами, микросборками различной степени интеграции и дискретными элементами. Конкретный состав конструктивно-законченных единиц зависит от назначения РЭС, преимущественного использования того или иного типа схемотехнической базы (дискретные элементы или микроэлементы), условий эксплуатации (легкие, средние, жесткие) и т. п.
Условия эксплуатации следует выделить особо, так как они оказывают существенное влияние на конструктивно-технологические особенности деталей и в первую очередь деталей, образующих конструктивную базу.
При проведении проектно-конструкторских работ используются термины в соответствии с ГОСТ 2.101–68 «Разработка конструкторской документации. Термины и определения».
Изделие – любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.
Компоновка РЭС – размещение в пространстве или на плоскости элементов, имеющих электрические соединения в соответствии с принципиальной схемой, и обеспечение допустимого минимума паразитных взаимодействий, которые не нарушают значения расчетных выходных параметров РЭС.
Проектирование – процесс создания проекта-прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта.
Проектирование РЭС – разработка проектной и конструкторской документации, предназначенной для создания новых видов и образцов РЭС.
Определение термина «проектирование» отражает две его особенности. Во-первых, в процессе проектирования предполагаемый объект еще не материализуется, а создается лишь его прообраз на другой материальной основе (чертежи и другие документы). Во-вторых, изготовленное по проекту изделие в силу ряда причин (например, из-за недостаточной точности математических моделей и др.) оказывается неадекватным предполагаемому и, следовательно, является лишь его прототипом.
Конструирование – процесс отражения в чертежах структуры, размеров, формы, материалов, обработки и связей (внутренних и внешних) будущего изделия.
При определении понятий «проектирование» и «конструирование» обычно возникают трудности. Часто процесс проектирования называют конструированием, а иногда наоборот. Такое положение объясняется некоторым пересечением этих понятий. На начальной стадии проектирования изделия конструкторских работ, т. е. конструирования, нет (рис.1). Позднее в составе проектных работ появляется конструирование, которое продолжается и после окончания проектирования, как стадия разработки рабочей конструкторской документации. Таким образом, разработка структурной и принципиальной схем относится к чисто проектным процедурам, а сами схемы – к проектным документам.
Рис.1. Взаимоотношение процессов проектирования и конструирования
Разработка чертежа общего вида изделия – пример конструирования при проектировании изделия может быть названа проектированием или конструированием, а чертеж общего вида – проектным или конструкторским документом. Но разработка чертежа – это чисто конструкторская процедура, и рабочий чертеж относится только к конструкторским документам. Следовательно, на одних стадиях разработки термины «проектирование» и «конструирование» – синонимы, а на других – их смешение недопустимо.
Проектный документ – документ, выполненный по заданной форме, в котором представлено какое-либо проектное решение, полученное при проектировании.
Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования. Проектными решениями, например, являются принципиальная схема, чертеж общего вида и т. п.
Проектная процедура – совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. К проектным процедурам, например, относятся изучение технической литературы, разработка схемы, моделирование и др.
Прототип – наиболее близкий по технической сущности и по достигаемому эффекту предшественник изделия, устройства. Например, транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) без термостабилизации является прототипом такого же каскада, но с термокомпенсирующим диодом во входной цепи, поскольку это усовершенствование было внесено в каскад ОЭ позднее.
Функциональная ячейка – конструктивно законченная сборочная единица, состоящая из узлов, интегральных микросхем и других навесных ЭРЭ, установленных на одну или нескольких печатных плат. Ячейка, как правило, не имеет самостоятельного эксплуатационного назначения. К ячейкам следует также относить узел печатный, типовой элемент замены и субблок.
Блок – функционально и конструктивно законченная сборочная единица, состоящая из ячеек, кассет и ЭРЭ. Блок, как правило, не имеет самостоятельного эксплуатационного назначения. Например, жесткий диск ПЭВМ функционально и конструктивно завершен, но не может иметь самостоятельного эксплуатационного назначения.
Прибор – функционально и конструктивно законченная сборочная единица, состоящая из ячеек, кассет и ЭРЭ, имеющая самостоятельное эксплуатационное назначение. Например, монитор ПЭВМ является прибором, так как он эксплуатируется автономно.
Электрорадиоэлемент – прибор или устройство, выполняющее функции преобразования, распределения, переключения электрических сигналов, реализуемых электрической схемой. К ЭРЭ следует относить: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы, трансформаторы, реле, переключатели, тумблеры, кнопки, предохранители и др.
Элементная база – совокупность ЭРЭ, применяемых в электрическом монтаже с учетом их конструктивно-функциональной принадлежности. Например, элементной базой современных РЭС являются цифровые и аналоговые ИМС, дискретные ЭРЭ или их сочетание.
В целом процесс разработки нового изделия представлен на рис.2. На этапе системотехнического проектирования разрабатываются структурные и функциональные схемы. На этапе схемотехнического проектирования – принципиальные. Математическое моделирование (ММ) позволяет в ряде случаев избежать физического моделирования, связанного со значительными материальными и временными затратами.
Рис. 2. Обобщенная схема разработки нового изделия
При успешном моделировании нового изделия разрабатывается конструкторская документация для его производства. Реально весь процесс разработки изделия разбивается на ряд последовательно выполняемых и периодически корректируемых этапов.