Сущность процесса проектирования. Этапы развития конструкции электронных приборов.

Эти вопросы определяют содержание, ретроспективу и перспективу развития изучают дисциплины.

Рассмотрим сущность процесса проектирования.

Проектирование как инженерная деятельность есть процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров, состава изделия, входящих деталей и узлов, материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления.

Поиск основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения противоречивых требований технического задания (ТЗ) по:

• назначению;

• надёжности с учётом ремонтопригодности и свойств системы человек-машина.

Поиск проводится применительно к условиям промышленного производства, ограниченного требованием максимальной экономической эффективности.

Эффективность проявляет себя через требования:

• технологичности;

• унификации;

• стандартизации с учётом патентно-правовых свойств.

Конструкция прибора состоит из множества входящих в неё элементов со строго регламентированными связями, образуя систему с отчётливо выраженной структурной градацией и со свойствами, не равными сумме свойств элементов.

В процессе проектирования:

• анализ проводят на основе исследования свойств прибора с комплексной оценкой по критериям с учётом весовых коэффициентов;

• синтез проводят путём определения формы, размеров и состава изделия, проектирования входящих в него частей и связей друг с другом окружающей средой и человеком-оператором для достижения заданных свойств.

Результаты поиска должны быть отражены в конструкторской документации.

Конструкторской документацией (КД) называют совокупность конструкторских документов, содержащих (в зависимости от их назначения) данные, необходимые для разработки, изготовления, контроля, приёмки, поставки, эксплуатации и ремонта изделия.

Из всего многообразия приборов и систем нас, конечно, будут интересовать в первую очередь радиоэлектронные приборы и системы – это: либо информационно-измерительные приборы и комплексы, либо медицинские приборы: сканеры, томографы и другие, либо акустические и гидроакустические: дальномеры, уровнемеры, расходомеры, эхолоты и другие.

Конструкция радиоэлектронных приборов отличается одной особенностью формируемых внутренних связей между частями: кроме пространственных и механических должны быть установлены сложные электрические и органические тепловые и электромагнитные связи.

Эта особенность настолько существенна, что выделяет проектирование РЭ приборов в отдельную область.

Рассмотрим этапы развития конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

Конструирование радиоэлектронной аппаратуры началось одновременно с изобретением радио. Например, основой конструкции беспроволочного телеграфа служил ящик, внутри которого размещались составные части, соединения с помощью клемм, винтов и проволоки.

С изобретением электронной лампы (по мере увеличения коэффициента усиления) возрастала роль экранирования.

В конце 20-х годов вместо деревянных появились металлические шасси, что улучшило экранирование.

В начале 30-х годов появилась прогрессивная идея расчленения сложной аппаратуры на простые составные части (узлы). Сформировалась иерархическая структура конструкции.

Расширение сферы и масштабов применения радиоэлектронных приборов привело к созданию (в 30-х годах) специализированных предприятий по разработке и изготовлению радиоэлектронной аппаратуры

Внедрение пайки упростило конструкцию монтажных соединений и снизило трудоёмкость сборки.

С начала 40-х годов радиотехническая аппаратура вышла в полевые условия. Её устанавливают на самолёты, танки, машины, корабли. От её работоспособности всё чаще зависит исход военных операций.

Появились требования обеспечения работоспособности и высокой надёжности в трудных условиях эксплуатации. Возникли новые задачи обеспечения влагозащиты, виброизоляции, стойкости при ударах, при изменениях окружающей температуры, при нагреве выделяемом при работе с теплом.

Радиоэлектронные приборы на электронных лампах принято называть аппаратурой I поколения.

Пятидесятые годы характеризуются значительным усложнением конструкций приборов, особенно импульсной аппаратуры и аппаратуры дальней навигации. Возросла трудоёмкость работ.

Для снижения трудоёмкости стали применять давно заявленную идею печатных схем.

Печатная схема представляет собой пластину с печатным рисунком. Электрофизические свойства рисунка выполняют функции монтажных соединений и пассивных элементов схемы данного устройства.

От этой идей в то время использовался только принцип печатного монтажа на основе печатных соединений плат.

Главными трудностями в аппаратуре I поколения были большое теплодавление, значительный объём и масса ламповых каскадов.

Появились идеи цифровой обработки сигналов, основанные на многократном повторении ламповых ключевых устройств. Но они были реализованы только, когда появились транзисторы вместо ламп.

Радиоэлектронную аппаратуру на полупроводниковых приборах называют аппаратурой II поколения.

В начале 60-х цифровые методы обработки позволили сформировать унифицированные функциональные узлы общего применения. Это дало толчок развитию полупроводниковой микроэлектроники, производству интегральных микросхем.

В зависимости от сложности интегральные микросхемы принято разделять на группы, а в зависимости от показателя степени интеграции: K = lg N, N – число элементов в микросхеме.

K … 1 (ИС1) 2(ИС2) 3(ИС3) 4(ИС4) 5(ИС5)

N … до 10 11-100 101- 10³ 1001-10⁴ 10001-10⁵

Радиоэлектронную аппаратуру на основе ИС1 и ИС2 называют аппаратурой III поколения.

Основой конструкции стала печатная плата.

Казалось, что конструирование приборов в таких условиях должно упроститься, но этого не произошло.

Проектировщики, получив новую, высоко эффективную элементную базу, начали удовлетворять постоянно растущие требования заказчиков по повышению быстродействия, точности, разрешающей способности, дальности действия и т.д. Более того, с внедрением ИС проектирование приборов усложнилось, особенно в отношение отвода тепла, и соединения множеств ИС, тесно расположенных на печатной плате. Появляются двухслойные, трехслойные, четырехслойные печатные платы. Появились многослойные (МПП) печатные платы. Но надежность снизилась. (В конструкциях МПП – совмещены в монолит слои меди, стеклотекстолит и т.д., которые имеют разные коэффициенты температурного расширения. Поэтому нежелательно большое количество слоев; максимум –4).

Решение было найдено в виде конструкции микросборок – функциональных гибридных узлов в микроэлектронном пленочном исполнении (гибридная – совмещенная пленочная и полупроводниковая в одном корпусе). В печатное исполнение переведены не только полупроводники, но и резисторы, часть конденсаторов, фильтры и др. В последующие годы электронная промышленность продолжала расширять номенклатуру и повышать степень интеграции. Были освоены и большие интегральные микросхемы ИСЗ и ИСЧ.

Радиоэлектронная аппаратура, в которой использованы микросборки, ИСЗ и ИСЧ или хотя бы одно из указанных изделий называют аппаратурой IV поколения.

В 80-х годах получают развитие крупноформатные гибридно-интегральные узлы (УГИК). УГИК выполняют на металлической плате относительно больших размеров в соответствии с размерным рядом печатных плат, например, 170х75 мм. Печатный рисунок содержит проводники, резисторы, конденсаторы.

После герметизации УГИК переходят на новый структурный уровень в конструкции электронных приборов и систем и становятся гибридно-интегральными продуктами (ГИМ).

Во второй половине 80-х годов электронная промышленность продолжает промышленное освоение ИС5 сверхбольших ИС с программируемой логикой (микропроцессорные комплекты) и волоконно-оптических кабелей (ВОК). Конструкции систем на основе ИС5, УГИК и ВОК называют аппаратурой V поколения.