Часть 1 конструирование средств измерительной и вычислительнойтехники

В первой части учебника изложены вопросы разработки средств измерительной и вычислительной техники (ВТ), создания конструкции, особенности конструирования с учетом конструктивной преемственности, технологичности, экономичности, надежности. Защита конструкции от внешних воздействий рассмотрена от механических, атмосферных, температурных влияний, временной нестабильности, электрических помех. Применение методов автоматизации в задачах конструирования позволяет эффективно выполнять компоновку и трассировку электронных устройств.

1. Общие сведения

1.1. Основные понятия и определения

Конструирование является составной частью процесса разработки ВТ и представляет собой комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание технологии. Каждое поколение ВТ имело новый тип элементной базы, что изменяло правила и положения теории и практики конструирования. Но характерным всегда являлось и является разбиение конструкции и общей схемы ВТ на отдельные, часто повторяющиеся устройства, оформляемые в виде элементов (блоков).

Рост степени интеграции микросхем увеличивает число типов таких элементов (блоков) и снижает их тиражирование в пределах одного ВТ. Секционированные и с фиксированной разрядностью микропроцессоры, однокристальные микроЭВМ расширили область применения ЭВМ. Отдельные элементы (блоки) ЭВМ схемотехнически различны и, как правило, не повторяются. Диапазон использования ВТ очень широк: они используются для управления объектами как бытовыми, так и космического назначения, поэтому конструирование ВТ на основе интегральных схем становится все более сложным процессом и разнообразным.

Перед разработчиками ВТ стоит ряд задач, решение которых зависит от полного учета факторов, влияющих на процесс измерения, обработки и хранения информации. Эти факторы имеют различную физическую природу. При создании ВТ требуется решение задач противодействия климатическим, механическим и радиационным факторам с целью обеспечения теплового режима работы отдельных элементов и устройства в целом, помехоустойчивости и нормальных электрических режимов работы, механической прочности, надежной и безопасной работы ВТ, нормальной работы оператора и охраны окружающей среды.

Разработка — это процесс всестороннего исследования (подготовки), предназначенный для получения заданных результатов. Обычно разрабатывают научно-исследовательские темы, конструкции, технологическую документацию, нормали, стандарты, системы, планы, графики и т. п.

В конструкциях ВТ заданные для них основные целевые функции обеспечиваются не только пространственными и силовыми, но и электрическими, магнитными и электромагнитными полями между отдельными элементами. Поэтому в связи с появлением микроминиатюрных конструкций и использованием интегральных схем деление разработки на механический и электрический этапы стало нецелесообразным.

Проектирование есть разработка основных показателей (конечного продукта) и путей их практического осуществления. Результатом проектирования является совокупность данных, которая может лечь в основу разработки рабочих технических документов, необходимых для выполнения конечного продукта (системы, устройства, прибора и т. п.).

Конструирование — это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей и связей с окружающей средой и объектами физических тел, их материалов и обработки, установление значений величин (норм), пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям. Конечным результатом является комплект технических документов, который отображает всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие. Назначение, область применения и условия эксплуатации ВТ налагают определенные требования на его конструкцию и должны учитываться в процессе конструирования.

Конструкция ВТ (системы) — совокупность электрически и механически связанных элементов и деталей, в которой реализуется электрическая схема ВТ (системы). Исходные данные для конструктора — принципиальная схема ВТ и техническое задание на разработку конструкции. Конструктор должен определить форму, материалы, размеры конструктивных деталей и сборочных единиц, способы механического и электрического соединения; обеспечить помехоустойчивость, тепловой режим, защиту от внешних воздействий.

Объектом называют любое физическое тело или их совокупность в виде устройства, изделия или их частей (самолет, корабль, ракетами т. д.).

Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Устройство — любая совокупность взаимодействующих физических тел, рассчитанная на выполнение заданных функций.

Аппарат представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, предназначенное для преобразования по заранее предписанному закону энергии одного вида в энергию другого вида или в энергию того же вида, изменяющуюся по заданному закону.

Прибор представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, выполняющее фиксацию, измерение или регистрацию заданных величин (измерительные приборы, осциллографические индикаторы, записывающие приборы и т. п.).

Деталь — изделие, изготовленное из одного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций.

Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями.

Типовые нормализованные сборочные единицы (универсальные по применению) обычно называют типовыми изделиями. Например, резисторы, диоды, транзисторы, реле и т. д. Типовые изделия общего применения или любое другое изделие, используемое для сложной сборочной единицы, блока, прибора, устройства называют полуфабрикатом. Например, типовые резисторы, конденсаторы, реле и т. п. на предприятиях, где они используются, называют полуфабрикатами.

Блок является эксплуатационно-неавтономной частью изделия и предназначается, как правило, для выполнения одной или нескольких целевых функций. Разделение изделия на блоки необходимо для упрощения его конструирования, процесса изготовления и эксплуатации.

Сложный блок может состоять из нескольких более простых блоков, которые целесообразно называть подблоками или субблоками. Крупные блоки называют по роду выполняемых ими частных функций: блок цифро-аналогового преобразования, измерительный блок, блок источника опорного напряжения и т. п.

Модулями называют конструктивные части (приборы, блоки, сборочные единицы или детали) с такими формами и геометрическими размерами, пользуясь которыми при наименьшем их разнообразии, можно получить максимальное количество форм и размеров различных устройств. Использование модулей позволяет получать изделие с лучшей ремонтопригодностью и технологичностью. Простое разделение на модули, без учета особенностей конкретных условий, не дает никакого технико-экономического эффекта, а в ряде случаев может его ухудшить по сравнению с другими техническими решениями.

Комплекс — два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (например, датчики, преобразователи, измерительная аппаратура, средства управления), но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Информационно-измерительная система, представляющая собой совокупность взаимодействующих устройств, предназначена для восприятия величин, характеризующих параметры объекта измерения (например, термопара воспринимает температуру объекта и выдает электрический сигнал, который можно измерить), для выполнения измерительных операций, обработки результатов измерения и для хранения (в случае необходимости) и выдачи информации потребителю в требуемом виде.

Комплект — два или более изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запчастей, комплект инструмента, комплект измерительной аппаратуры).

Технология — это процесс изготовления изделия заданного качества в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости.