Современные тенденции при конструировании ЭТУ

Конструкции современных ЭТУ представляют собой сложные системы, т. е. состоят из совокупностей объектов, связей между ними, и предназначены для реализации задаваемых функций. Любая конструкция обладает системными свойствами композиции и декомпозиции, интегративности, т. е. образования при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей, иерархичности (делению конструкции на структурные уровни).

В процессе конструирования необходимо учитывать большое число факторов, имеющих различную природу. Эти факторы можно объединить в следующие группы требований: общего характера, эксплуатационные, конструкторско-технологические, производственные, а также требования нормативно-технических документов. Кроме того, для разных уровней конструктивных компонентов (микросборок, печатных плат, функциональных модулей и т. д.) имеются свои специфические требования.

Разработка конструкции ЭТУ, которая гарантированно удовлетворяет всем предъявляемым требованиям, представляет собой сложную инженерную задачу. При этом приходится решать проблемы, связанные с тем, что ряд требований являются противоречивыми, а некоторые требования предусматривают перспективу развития и функциональное наращивание системы в процессе эксплуатации, т. е. нацелены в будущее. В определенной степени противоречия возникают при стремлении повысить надежность за счет структурной избыточности и одновременно уменьшить вес и габариты или увеличить мощность передающего устройства и улучшить показатели энергетической эффективности. Нацеленность в будущее предполагает необходимость постоян­ной модернизации ЭТУ для использования научно-технических достижений, например: расширение диапазонов работы, изменение конструкции антенной системы, увеличение каналов связи, и др.

Для решения этих проблем при конструировании используются методы оптимизации, принятия проектных решений в условиях неопределенности, робастного проектирования, модульного конструирования, управления проектами и др. Применение методов автоматизированного проектирования позволяет решать следующие сложные в вычислительном отношении задачи:

- оптимальное геометрическое размещение компонентов нижестоящих уровней в монтажном пространстве вышестоящих (ЭРИ на печатных платах, плат в функциональных модулях, модулей в блоках и т. д.);

- обеспечение оптимального теплового режима в блоках с применением естественного, искусственного и смешанного охлаждения;

- обеспечение оптимальной помехоустойчивости функциональных узлов при воздействии естественных и искусственных помех и др.

Проектирование конструкции ЭТУ при наличии жестких ограничений имеет ряд особенностей. К этим особенностям можно отнести следующие.

- Мультивариантность. Основным методом создания качественной конструкции является формирование множества альтернативных вариантов, их анализ и обоснованный выбор наиболее предпочтительного.

- Модульность и параллельное конструирование компонентов. Несмотря на то, что в законченном виде конструкция представляет собой единую систему, большое число ее составных частей в виде блоков функциональных модулей, печатных плат и др. может разрабатываться параллельно, в относительной независимости друг от друга.

- Типовые структуры и преемственность (наследование). При формировании альтернативных вариантов конструкции широко используются стандартизация, типизация и унификация электронных модулей и других базовых конструкций. Это обеспечивает конструктивную совместимость, взаимозаменяемость и инвариантность параметров, значительно сокращает сроки проектирования, позволяет использовать информацию о ранее разработанных конструкциях.

Показатели конструкции и множество состояний функционирования. В процессе реальной эксплуатации могут изменяться климатические условия, объект размещения, а также другие требования к исполнению ЭТУ. Поэтому при разработке конструкции необходимо предусмотреть, чтобы созданное изделие эффективно работало не только при соблюдении требований к климатическому исполнению, объекту установки и др., содержащихся в техническом задании, но и обладало робастностью в различных состояниях функционирования. Для этого сопоставление альтернативных вариантов конструкции должно выполняться на множестве состояний функционирования. Данное множество наряду с состоянием нормального функционирования, когда выполняются все задаваемые требования к разрабатываемому изделию, содержит состояния, в которых изделие может находиться вследствие явлений природного характера (наводнение, ураган и т. п.), организационных и других мероприятий. Таким образом, при анализе конструкции следует учитывать значения основных показателей в различных состояниях функционирования.

Модульный принцип проектирования

Основу модульного принципа проектирования составляет разработка ЭТУ с учетом конструктивной и функциональной взаимозаменяемости составных частей конструкции — модулей.

Под модулем понимают составную часть ЭТУ, имеющую законченные функциональное назначение и конструкцию и снабженную элементами соединения и коммутации с другими модулями в изделии.

Использование модульного принципа проектирования позволяет снизить затраты на разработку и изготовление ЭТУ, обеспечить совместимость и преемственность технических решений при улучшении показателей качества, повышения надежности и срока эксплуатации изделий.

Модульный принцип проектирования основан на методах решения задачи компоновки и предполагает разбиение всей электрической схемы ЭТУ на подсхемы, выполняющие определенные функции. Полученные подсхемы дробятся на более простые части до тех пор, пока вся электрическая схема устройства не будет представлена в виде набора модулей различного уровня сложности.

Иногда используют другой подход к проектированию, основанный на решении задачи покрытия, сущность которой состоит в том, что частям функциональной схемы ЭТУ ставятся в соответствие интегральные микросхемы (ИМС) определенной серии, а электрическая схема изделия как бы «покрывается» электрическими схемами микросхем. Как правило, не все подсхемы ЭТУ можно покрыть микросхемами существую­щих серий, и тогда такие подсхемы реализуют набором дискретных ЭРИ.

Конструкцию современных ЭТУ можно рассматривать как некоторую иерархию модулей, каждая ступень которой называется уровнем модульности. При выборе числа уровней модульности проводится решение задачи типизации, т. е. сокращения разнообразия модулей в ЭТУ определенного функционального назначения. Функциональное разнообразие изделий достигается использованием различного числа уровней конструктивной иерархии модулей.

Уровни разукрупнения электронных средств устанавливает ГОСТ Р 52003-2003, в соответствии с которым выделяют четыре основных уровня модульности. К ним относят:

10. электронный модуль нулевого уровня (ЭМО) — модуль, выполненный на базе из­делий электронной техники и электротехнических изделий. В зависимости от исполнения ЭТУ модулем нулевого уровня служат различные электрорадиоизделия, в том числе интегральные микросхемы и микросборки;

11. электронный модуль первого уровня (ЭМ1) — модуль, изготовленный на основе базовой несущей конструкции (БНК) первого уровня. Примером ЭМ1 служит ячейка, представляющая собой печатную плату (ПП) с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем;

12. электронный модуль второго уровня (ЭМ2) — модуль, изготовленный на основе БНК второго уровня. Типичным примером ЭМ2 является блок, основными конструктивными элементами которого является панель с ответными соединителями модулей первого уровня, размещенными в один или несколько рядов;

13. электронный модуль третьего уровня (ЭМЗ) — модуль, изготовленный на основе БНК третьего уровня, например, шкаф, в который устанавливаются блоки.

На рис. 1. условно показаны иерархические уровни разукрупнения ЭТУ.

Рис. 1.Уровни разукрупнения электронных средств

Необходимо заметить, что в простой аппаратуре высшие уровни модульности отсутствуют. Полная модульность, показанная на рис. 1., используется только в сложных ЭТУ.

Лекция 4