Раздел 3

3. Проектирование, производство и эксплуатация электронной аппаратуры

3.1. Конструкторско-технологическое проектирование. Системный подход к проектированию

Радиоэлектронные средства представляют собой изделия, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники. Этим термином, в соответствии с ГОСТ 26632-85, обозначаются все существующие виды и уровни электронной аппаратуры.

Современный подход к разработке и конструированию РЭС является комплексным. Эффективность разработки конструкции РЭС обеспечивается при всестороннем учете требований к радиоэлектронной системе в целом и ее отдельным составным частям, взаимосвязей между системой, схемой, конструкцией, технологией, производством и эксплуатацией. Конструкцией РЭС называется совокупность материальных объектов с различной формой и физико-химическими свойствами, которые расположены в пространстве определенным образом и находятся в определенной механической и электромагнитной взаимосвязи. Эта взаимосвязь обеспечивает с требуемой точностью и надежностью выполнение радиоэлектронным средством заданных функций по приему, обработке, хранению и передаче информации. Конструкция обеспечивает работоспособность РЭС в условиях Действия дестабилизирующих факторов внешней среды. Одно из важнейших свойств конструкции – возможность ее многократного повторения в условиях производства.

По уровню функциональной сложности они подразделяются на радиоэлектронные функциональные узлы, радиоэлектронные устройства, радиоэлектронные комплексы и системы.

В конструкциях РЭС различают несколько конструкторско-технологических уровней. Исходным уровнем являются конструктивно неделимые элементы – интегральные схемы, функциональные элементы, активные и пассивные электрорадиоэлементы. Эти элементы составляют нулевой уровень конструктивной сложности. В процессе создания аппаратуры их объединяют в более сложные конструкции – ячейки.

Радиоэлектронные ячейки предназначены для реализации функций передачи, приема, преобразования и хранения информации и выполняются на основе несущих конструкций первого уровня. Несущая конструкция представляет собой совокупность элементов, предназначенных для размещения РЭС и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. Несущая конструкция первого уровня предназначена для размещения элементов нулевого уровня и входит в несущие конструкции более высокого уровня. Если габаритные размеры несущей конструкции стандартизованы, то такая конструкция называется базовой несущей конструкцией. Ячейки, выполненные на основе базовой несущей конструкции, представляют собой конструктивно и функционально взаимозаменяемые сборочные единицы.

Второй уровень конструктивной сложности представляют радиоэлектронные блоки, которые также являются конструктивно и функционально законченными сборочными единицами. Блоки объединяют ячейки механически и обеспечивают электрическую связь ячеек между собой. Несущая конструкция второго уровня может быть выполнена в виде панели рамы или корпуса блока.

Третий уровень конструктивной сложности РЭС представляет собой совокупность радиоэлектронных блоков и ячеек и, в отличие от предыдущих уровней, предназначается для самостоятельного применения. Нескщая конструкция третьего уровня может быть изготовлена в виде рамы, каркаса, стеллажа, шкафа, стойки, пульта.

Конструктивно радиоэлектронные комплексы и системы состоят из набора несущих конструкций второго и третьего уровней конструктивной сложности и включают в себя источники энергоснабжения.

Деление РЭС на конструктивно и функционально законченные единицы лежит в основе процесса их разработки. Необходимой составной частью РЭС всех уровней конструктивной сложности является конструкция или базовая несущая конструкция. Метод конструирования, основанный на использовании базовых несущих конструкций в сочетании с функционально законченными сборочными единицами аппаратуры, называется базовым. Базовый метод характеризуется следующими достоинствами:

- на этапе разработки позволяет одновременно разрабатывать многие радиоэлектронные функциональные узлы и устройства; упрощает отладку и сопряжение узлов; сокращает объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;

- на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства РЭС; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства;

- при эксплуатации повышает эксплуатационную надежность РЭС, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры.

Основной тенденцией развития РЭС является их усложнение и расширение функциональных возможностей при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.

При проектировании таких устройств следует помнить, что анализ объектов, включающих большое количество различных элементов, при неполной информации об их функционировании не может быть выполнен классическими методами и требует использования теории и аппарата больших систем - системного подхода. При этом предполагается, что система может быть формализована, то есть абстрактно представлена некоторой математической моделью ее функционирования.

Суть системного подхода при математическом моделировании состоит в следующих принципах:

- целостность изучаемой системы – предполагает, что целое принципиально не сводимо к сумме свойств составляющих его элементов;

- структурность – предполагает возможность описания системы с помощью сети связей между ее элементами;

- иерархичность – предполагает, что каждая подсистема или элемент системы могут рассматриваться как система;

- множественность описания – предполагает, что система может быть описана множеством математических моделей, каждая из которых описывает определенный аспект системы;

- взаимозависимость системы и среды – предполагает, что свойства системы проявляются только при взаимодействии с окружающей средой.

Системный подход предполагает общую оптимизацию при проектировании, производстве и эксплуатации РЭС. Задачи оптимизации на конструкторском и технологическом этапах проектирования различны: на этапе конструирования это минимизация числа и типов элементов схемы и решение задач размещения и трассировки, а на этапе технологии это выбор параметров унифицированного технологического процесса.

В основе системного подхода лежит блочно-иерархический подход к проектированию, состоящий в выделении иерархических уровней проектирования в зависимости от степени подробности, с которой отражаются свойства проектируемой системы (объекта или процесса). На этих уровнях имеются группы задач, связанные с проектированием схем, конструкций и технологии, так называемые аспекты проектирования.

Задачи, решаемые на каждом этапе блочно-иерархического проектирования, делятся на задачи синтеза и анализа. Задачи синтеза связаны с получением проектных вариантов, а задачи анализа с их оценкой. Различают параметрический и структурный синтез. Под структурным синтезом понимается получение состава элементов системы и способа их связи между собой, а под параметрическим синтезом определение числовых значений параметров элементов.

Если среди вариантов структуры ищется не любой, а лучший в некотором смысле, то задача синтеза называется структурной оптимизацией. Расчет внутренних параметров, оптимальных с позиции некоторого критерия при заданной структуре объекта, называется параметрической оптимизацией. Возможности постановки и решения задач структурной оптимизации существенно ограничены, поэтому чаще под оптимизацией понимают параметрическую оптимизацию. Параметрическая оптимизация подразделяется на оптимизацию параметров и оптимизацию допусков. В первом случае под оптимизацией понимается определение таких номинальных значений внутренних параметров, при которых некоторая функция, называемая целевой функцией, принимает экстремальное значение.

Во втором случае не отдельная оптимальная точка, а некоторая оптимальная область в пространстве внутренних параметров. Эта область характеризует диапазон допустимых значений параметров, при которых обеспечивается правильность функционирования проектируемого объекта и достигается экстремальное значение некоторой целевой функции. Примерами целевых функций могут быть надежность, стоимость, габариты, масса, энергопотребление.

Задачи анализа при проектировании являются задачами исследования модели проектируемого объекта и делятся на задачи одновариантного и многовариантного анализа. При одновариантном анализе исследуются свойства объекта в заданной точке пространства параметров, а при многовариантном анализе исследуются свойства объекта в окрестностях заданной точки пространства параметров. Решение задачи одновариантного анализа дает ответ на вопрос выполняются ли условия работоспособности в заданном варианте структуры при номинальных значениях внутренних параметров, а решение задач статистического анализа дает ответ на вопрос с какой вероятностью будут выполняться условия работоспособности. Вероятность выполнения условий работоспособности характеризует такие свойства проектируемого объекта как надежность и серийнопригодность.

Создание многофункциональных, помехоустойчивых, высокопроизводительных РЭС основано на использовании принципа комплексной микроминиатюризации предполагающего, с одной стороны, миниатюризацию элементной базы на основе использования новых материалов и технологий, позволяющих создавать сверхбольшие и сверхскоростные ИС, и, с другой стороны, миниатюризацию узлов и блоков аппаратуры на основе использования микроэлектронных технологий, позволяющих реализовать высокую плотность размещения СБИС и ССИС.

Выполнение задач комплексной микроминиатюризации, снижение сроков разработки аппаратуры, повышение качества и надежности достигается применением высокоэффективных методов автоматизированного проектирования на основе современной вычислительной техники и математической теории.