Глава 3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭС.

В данной теме речь пойдет о содержании действий в процессе разработки конструкции РЭС, причем подробному анализу подвергается только начальный этап проектирования. Очевидно, что началом действий проектирования в любом случае должен стать этап подготовки исходных данных (априорной информации) о проекте. Подготовка включает в себя сбор и систематизацию информации в виде технического задания (ТЗ) на разработку. ТЗ по сути является документом, который должен учесть все факторы, влияющие на результат - конструкцию РЭС.

3.1. Состав и этапы разработки технического задания (ТЗ).

Из ГОСТа известно, что ТЗ представляет собой документ, устанавливающий основное назначение и показатели качества изделия, технико-экономические и специальные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, объему, стадиям разработки и составу конструкторской документации (КД).

3.1.1. Заявка на разработку.

ТЗ выполняется на основе исходного документа-заявки на разработку.

Рис. 3.1. Этапы разработки ТЗ.

В заявку на разработку входят следующие исходные данные:

-назначение изделия;

-предполагаемый изготовитель;

-ориентировочная потребность в изделии;

-стоимость разработки и сроки;

- технико-экономическое обоснование;

-основные требования и условия эксплуатации.

ПРИМЕР. Заявка на разработку конструкции микроэлектронного аппарата (МЭА) в рамках конструкторско-деловой игры "Синтез и принятие решений при конструировании МЭА".

Назначение МЭА: контрольно-измерительная.

Необходимое число аппаратов: серия 1000 штук в год.

Стоимость разработки и сроки: 2-я группа РЭС по стоимости; время разработки: два учебных семестра.

Основные требования:

-условия эксплуатации: бортовые (самолетные).

-показатели качества: объем V; масса М; вероятность безотказной работы Р;

Технико-экономическое обоснование - отсутствует.

Изготовитель - отсутствует.

3.1.2. Структура и содержание ТЗ.

При разработке ТЗ исходные данные, содержащиеся в заявке, получают существенное развитие и перекрестную оценку специалистов различных служб в процессе согласования с ними текста ТЗ.

Содержание ТЗ представляет собой объединение следующих исходных данных:

- совокупность требований к изделию (технических, экономических, производственных и др.);

- необходимые стадии разработки и сроки прохождения стадий;

- состав КД (ГОСТ 15.001-73).

Рис. 3.2. Состав ТЗ.

Особое место в ТЗ занимает раздел технических требований (ТТ). Он обычно содержит десять подразделов.

В подразделе 1 "Состав изделия и требования к конструктивному устройству" приводится, как правило, восемь пунктов:

1) наименование, число и назначение основных частей;

2) конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные размеры и др.);

3) масса;

4) требования по охране окружающей среды;

5) требования взаимозаменяемости;

6) требования устойчивости к моющим средствам;

7) требования помехозащищенности и предотвращения выделяемых помех;

8) требования к ЗИП по виду (одиночный или групповой) и составу.

В подразделе 2 "Показатели назначения" указываются радиотехнические параметры функционирования: мощность, чувствительность, разрешающая способность и другие.

В подразделе 3 "Требования надежности" включает в себя требования долговечности, безотказности, сохраняемости и ремонтопригодности.

Подраздел 4 "Требования технологичности" регламентирует показатели технологичности (производственной и эксплуатационной).

В подразделе 5 "Требования к уровню унификации и стандартизации" устанавливаются минимальные показатели, которые должны быть достигнуты в конструкции по данным показателям.

В подразделе 6,7 и 8 указываются требования безопасности, эстетические и эргономические, требования к патентной частоте.

В подразделе 9 "Условия эксплуатации" должны быть предусмотрены следующие пункты:

1) условия, в которых конструкция должна быть работоспособной;

2) допустимые кратковременные воздействия климатических факторов;

3) механические воздействия;

4) виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое исполнение), необходимое количество и квалификация персонала.

Подраздел 10 "Указание к упаковке, транспортированию и хранению" содержит перечень допустимых транспортных средств, условия и сроки хранения.

Кроме ТТ в ТЗ входят экономические и производственные требования:

- вид производства (единичное, мелкосерийное, крупносерийное, массовое);

- группа изделия по стоимости разработки и производства

(1 - минимальная стоимость, например, бытовая аппаратура;

2 - промежуточная; например, связное РЭС;

3 - стоимость не имеет решающего значения, важнее функциональные характеристики; например РЭС специального назначения);

- ограничения на применяемые материалы, комплектующие и др.;

- требования унификации и стандартизации.

Анализируя ТЗ в целом, следует отметить, что отдельные разделы могут в задании не назначаться, если конструкция не очень сложная или проводится модернизация, не связанная с принципиальными изменениями.

В практике конструирования РЭС чаще приходится иметь дело с частными техническими заданиями (ЧТЗ) на отдельные составные части РЭС, которые разрабатываются различными подразделениями в ходе параллельного конструирования. ЧТЗ имеют такую же структуру, но обычно составляются в сокращенном объеме по сравнению с общим ТЗ в отношении экономических и производственных требований.

Объем технических требований в ЧТЗ должен быть более подробным и включать в себя дополнительные данные. Разработку ЧТЗ обычно выполняют на проектных стадиях, когда становятся известными дополнительные данные, вытекающие из взаимосвязи составных частей.

3.1.3. Этапы разработки ТЗ.

Для того, чтобы осуществить формулировку текста ТЗ, необходимо обычно выполнить ряд действий.

Рис. 3.3. Этапы разработки ТЗ.

Суть действий при разработке ТЗ состоит в том, чтобы восполнить отсутствующие исходные данные, т.к. для проектирования необходима более полная, чем указана в заявке, формулировка цели и условий-ограничений при проектировании. В противном случае, возможна подмена цели.

ПРИМЕР. Подмена цели задачи размещения модулей (ИС, например) на печатной плате при автоматизированном решении в общем случае при использовании критерия минимума суммы длин всех связей между модулями.

На первом этапе разработки ТЗ необходимо провести анализ заявки, чтобы определить достаточность или отсутствие исходной информации для будущей разработки.

Второй этап проводится для восполнения необходимой при проведении проектирования информации.

На третьем этапе выделяются, если возможно, количественные характеристики, которые определяют уровень качества разработки - показатели качества (ПК). Основные ПК являются критериями для оценки результатов проектирования (т.е. из множества ПК выбирается подмножество критериев).

На последнем этапе осуществляется формулировка задачи разработки по возможности, в математической форме, что позволит в дальнейшем применять строгие методы оптимизации решения.

Анализ практики разработки ТЗ показывает, что указанные действия выполняются в основном человеком, т.е. являются творческими (действительно, этапы 2, 3, 4 представляют собой по смыслу задачи синтеза). Роль ЭВМ может быть сведена к подготовке информации для синтеза, например, за счет систематизации и хранения некоторых данных в памяти ЭВМ.

Второй вывод, следующий из анализа процесса разработки ТЗ, состоит в том, что роль конструктора на данном этапе велика. ТЗ должно содержать все необходимое, но ничего лишнего. Таким ТЗ может сделать только конструктор.

Какими способами можно сделать это? Практика подсказывает следующие возможности:

- комплексность (системность) работы над ТЗ;

- планомерность обзора;

- соответствующая организация работы.

Следует помнить, что поскольку задача разработки ТЗ - творческая, постольку существует множество реализаций (способов, методов) достижения цели.

Одной из возможных представляется методика следующего (рис. 3.4) вида основанная на принципе морфологического анализа.

Рис. 3.4. Факторы, определяющие ТЗ.

Методика говорит о том, что необходимо планомерно рассмотреть систему факторов, так или иначе определяющих будущее ТЗ. По сути необходимо рассмотреть связи РЭС со всем его "окружением" на всех этапах жизни и особенно на этапе эксплуатации.

Задача анализа связей состоит в том, чтобы дать качественное, а лучше - количественное описание связи.

3.2. Учет системных факторов в ТЗ.

Из множества указанных выше факторов выделим те, которые определяется вхождением РЭС в более общую систему (РЭС - часть большой ТС), и учтем различного рода условия и ограничения, которые сопровождают процессы проектирования, производства и эксплуатации РЭС. Выделенная таким образом группа факторов называется обычно системными факторами.

Рис. 3.5. Классификация системных факторов.

Далее разберем более подробно множество системных факторов определяющих РЭС и укажем их место внутри ТЗ.

3.2.1. Факторы назначения и объекта-носителя.

Данная группа факторов устанавливает первичную задачу разработки. Перечень факторов широк:

1) Радиоэлектронное функциональное назначение: прием, передача, обработка сигналов, индикация, вторичный источник питания и др.

2) Значение параметра, определяющего конструктивные решения: мощность излучения, мощность потребления, частота, полоса пропускания, быстродействие, чувствительность и др.

3) Класс объекта установки: бортовая аппаратура, морская, наземная для подвижных объектов, наземная стационарная и др.

Учет указанных факторов проводится в виде формулировки соответствующих требований в подразделах 1, 2 ТЗ.

3.2.1.1. Классификация РЭС.

В настоящее время РЭС проникли практически во все сферы деятельности человека, поэтому от того, что это за аппаратура, в каких условиях работает, каково ее основное назначение - зависит и процесс создания этих конструкций.

Различают несколько критериев, по которым классифицируют РЭС. Основным из них является вид объекта-носителя. Он по существу, задает большинство факторов, влияющих на РЭС. В табл. 3.1. указаны основные классы РЭС и среда использования.

Классификация РЭС.

Таблица 3.1.

3.2.1.2. Особенности построения РЭС различных классов.

Наземная РЭС делится на несколько групп .

По ГОСТ 16019-78 стационарные РЭС разделяются на работающую в отапливаемых наземных и подземных помещениях (1 группа) и в не отапливаемых помещениях на открытом воздухе (2 группа). Этот класс РЭС характеризуется:

- продолжительной эксплуатацией и постепенной модернизацией;

- работой при нормальном атмосферном давлении;

- отсутствием механических воздействий во время работы;

- транспортировкой в амортизированной упаковке;

- высокой ремонтопригодностью при ремонте на месте установки.

На габариты стационарных РЭС накладываются ограничения, связанные с размерами помещений для ее установки (дверей, коридоров и т.п.).

Особая группа стационарных РЭС - переносные РЭС, которые не должны иметь большой массы и могут не работать по время переноски.

Возимые РЭС (3 и 5 группы по ГОСТ 16019-78) размещаются на автомобилях различных видов, на гусеничном транспорте (транспортеры, тракторы, танки и т.п.) и на железнодорожном транспорте.

Для различных видов автомобилей характерны свои диапазоны механических нагрузок, свои ограничения по габаритам и массе, а также различные влияния окружающей среды (например, может быть предусмотрено кондиционирование в кабине машины). Гусеничный транспорт к тому же характеризуется более плавным движением, однако увеличивается опасность ударов при движении по бездорожью.

Носимые РЭС предполагают работу аппаратуры во время переноски (6 и 7 группа). Большое значение имеет при конструировании учет физических возможностей человека (минимальные габариты и масса). Необходимо в полной мере учитывать сильные удары, климатические воздействия (особенно случаи выпадения росы при оттаивании РЭС в теплом помещении). В особо тяжелых условиях РЭС выполняются в герметичном корпусе.

Морские РЭС характеризуются следующими особенностями:

1) комплексное воздействие климатических и механических факторов: 100% влажность при высокой температуре и солевом воздействии, сочетание их с непрерывной вибрацией, ударным нагрузками и линейными ускорениями;

2) длительное автономное плавание при невозможности осуществлять сложные ремонты в этот период;

3) акустические, магнитные и радиационные воздействия. Все РЭС как правило выполняется брызгозащищенной, устанавливаемая на открытой палубе - водозащищенной, а аварийная - герметичной.

Основные отличия судовых РЭС следующие:

1) высокий уровень применения типовых конструкций для целей сокращения набора запасных блоков на борту;

2) высокая степень ремонтопригодности при минимальном персонале и наборе контрольно-измерительной аппаратуры;

3) ограничение габаритов блоков размерами люков кораблей;

4) обязательное применение комплексных мер защиты от всех видов механических воздействий;

5) особое внимание осуществляется на обеспечение электромагнитной совместимости РЭС в пределах всего судна, для чего принимают меры не только в отношении РЭС, но и самого судна. В зависимости от того, где находится аппаратура (в радиорубке, где должны поддерживаться комфортные условия, или в необитаемых помещениях корабля), необходимы различные меры защиты от факторов внешней среды.

Буйковые предполагают наличие длительного периода необслуживаемой эксплуатации, воздействие сильных ударов волн, относительно хорошим тепловым режимом из-за охлаждения забортной водой. Корпус РЭС выполняется герметичным, способным противостоять воздействию соленой воды.

Бортовые РЭС размещаются на самолетах, вертолетах, ракетах и космических аппаратах. Это наиболее специфическая группа РЭС, которая работает в самых жестких условиях: вибрации, линейных ускорениях, ударах, при пониженном давлении, холоде, влаге, соляном тумане, солнечной и космической радиации.

Однако каждая группа имеет свои особенности:

- авиационные РЭС характеризуются относительно малым периодом непрерывной работы (часы), а в остальное время РЭС может ремонтироваться на земле; кроме того, почти всегда проводится предполетная проверка функционирования. Поэтому контролепригодность и ремонтопригодность выходит на одно из первых мест в показателях качества РЭС. Кроме того, этот вид РЭС работает в тяжелых климатических условиях и пониженном атмосферном давлении;

- к космическим и ракетным РЭС помимо общих для данной группы требований, предъявляются и специфические: особая ограниченность массы и габаритов, самые высокие требования к безотказности, хорошая ремонтопригодность в предстартовый период, совместное действие вибрации и линейных ускорений во время старта.

Как правило космические РЭС характеризуется длительным периодом необслуживаемой эксплуатации, работой в вакууме или в специальной газовой среде, циклическими сильными перепадами температуры, воздействием радиации.

Ракетные РЭС характеризуются разовостью использования, особо кратковременной предстартовой подготовкой (высокая ремонтопригодность), быстрым возрастанием температуры при старте, большими ударными нагрузками, необходимостью длительной сохраняемости при хранении.

В заключении этого раздела приведем данные требований по устойчивости к мехвоздействиям и действию факторов окружающей среды для различных групп РЭС. Кроме того, в табл. 3.3. указаны ориентировочные значения коэффициента влияния К_м, который должен учитываться при расчете надежности РЭС, работающих в реальной обстановке.

Требования устойчивости.

Таблица 3.2.

Коэффициент влияния. Таблица 3.3.

3.2.1.3. Особенности построения цифровых и аналоговых РЭС.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция расширения сферы использования цифровых принципов при построении РЭС. Однако в ряде случаев не обойтись и без аналоговых устройств (в основном там, где требуется высокая разрешающая способность и точность представления, где нужно усиление малых сигналов и т.п.).

СВЧ устройства обладают специфическими свойствами, их проектирование сильно отличается от проектирования других РЭС, поэтому вопросы изучаются в отдельном курсе.

Каждый из двух видов РЭС имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при конструировании.

Особенности цифровых РЭС:

- относительно высокие степени интеграции и энергопотребления на единицу площади;

- высокое быстродействие и жесткие требования к форме сигналов на входах и выходах;

- большое число связей между отдельными ИС и субблоками;

- высокая вероятность появления помех от соседних работающих схем и высокая чувствительность к помехам некоторых видов ИС;

- большие токи в цепях питания и, следовательно, высокие требования к проектированию этих цепей.

Особенности аналоговых РЭС:

- малые уровни сигналов, которые порой передаются на большие расстояния;

- большие значения коэффициентов усиления каскадов и в связанная с этим необходимость обеспечить их устойчивую работу;

- наличие большого числа обратных связей (как предусмотренных, так и паразитных), которые также повышают вероятность самовозбуждения;

- широкий диапазон частот сигналов;

- сильная чувствительность к помехам, проникающим как по входам, так и по цепям питания;

- в ряде случаев требуется обеспечить высокую стабильность параметров РЭС при изменениях условий окружающей среды и напряжения питания;

- устойчивая тенденция к микроминиатюризации, что влияет на тепловой режим и электромагнитную совместимость.

Таким образом, при создании цифровых РЭС необходимо особое внимание обращать на:

- обеспечение защиты РЭС от перегрева;

- осуществление развязки в цепях питания (в ТУ на применение каждой серии ИС указывается на сколько ИС необходимо предусмотреть включение керамического конденсатора такого-то номинала для устранения проникновения ВЧ помех и на каждой плате необходимо установить электролитический конденсатор большой емкости для устранения НЧ помех). Для БИС необходимо предусмотреть подключение керамического конденсатора в непосредственной близости от выводов питания ИС;

- проведение трассировки и размещения на печатных платах таким образом, чтобы минимизировать влияние соседних проводников друг на друга (например, взаимно перпендикулярное расположение проводников на разных сторонах платы);

- появление "длинных" связей (для каждого типа ИС и вида проводников в справочниках приводится максимально возможная длина "коротких" связей);

- осуществление согласования входов и выходов ИС при наличии "длинных" связей. Особенно это относится к кросс платам и соединительным панелям. В случае жестких требований на форму сигнала и помехоустойчивость на высоких частотах обмена (тактовая частота >10…100 МГц) может потребоваться осуществление связей с помощью полосковых линий;

- выбор соответствующих видов линий связи с внешними устройствами, их согласование, тщательное заземление всех элементов блока, шкафа и т.д.;

При создании аналоговых РЭС, помимо общих принципов конструирования, необходимо особо обращать внимание на следующее:

- разделение в пространстве входной и выходной частей схемы;

- при наличии в схеме трансформаторов, дросселей, катушек, их размещают как можно дальше от чувствительных цепей и придают соответствующую ориентацию, проводят экранирование.

Особенности конструкции бытовых РЭС:

1) повышенные эстетические характеристики внешнего вида и акустические параметры;

2) приспособленность конструкции к эксплуатации совершенно неподготовленным человеком;

3) массовость производства;

4) определяющее значение стоимости.

В настоящее время используется три главных направления в конструировании бытовых РЭС:

1) создание новых РЭС вызванных новыми потребностями, не зависящих от наличия ранее выпускавшихся конструкций;

2) совершенствование ранее выпускавшихся конструкции с целью введения автоматизации и улучшения характеристик;

3) повышение технологичности с целью уменьшения стоимости.

В технической эстетике наблюдается тенденция к конструированию РЭС в максимально скромном, профессиональном исполнении, а также в виде взаимно дополняющих конструктивно и эстетически согласованных устройств - модулей.

3.2.2. Факторы технической системы, конструктивной и технологической базы.

Отражение указанных факторов формулируется в виде технических требований в подразделах 1, 2, 3, 4 и в виде экономических и производственных требований.

В подразделе 1 ТТ необходимо сформулировать перечень требований в виде:

1) Массогабаритные характеристики: масса РЭС, габаритные, установочные, присоединительные размеры и др.

При формулировке требований к массе аппарата возникают трудности в случае бортовой, носимой, переносной, отчасти корабельной и др. видов РЭС. Требования в таких случаях обычно либо задаются в заявке на разработку, либо накладываются при разработке ТЗ, исходя из анализа условий эксплуатации, в виде ограничений.

Похожая ситуация складывается и при выставлении требований по положению центра массы для ряда бортовых РЭС.

Габаритными называются размеры, устанавливающие предельные внешние очертания. Габаритный размер записывается как произведение длины l , ширины b и высоты h (l*b*h,мм).

Присоединительными называются размеры, определяющие координаты элементов, с помощью которых данное изделие присоединяется к другому изделию (ГОСТ 2.307-68), т.е. размеры между центрами крепежных отверстий или обозначения резьбы, которая должна быть предусмотрена на объекте для крепления изделия.

2) Закрепление на объекте: жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др.

3) Коммуникационные сети на объекте: сети питания, сети антенных кабелей, шин заземления, вентиляционные сети и др.

4) Электромагнитная защита на объекте: наличие одновременно работающих РЭС на том же объекте и их влияние, экранирование, устранение наводок, в том числе и по цепям питания, включая защиту от помех, вызываемую данной конструкцией при работе.

Кроме упомянутых факторов, в технических требованиях могут быть отражены вопросы взаимозаменяемости, состав и требования к ЗИПу и т.д. По результатам проделанной работы в основном формулируются подразделы 1 и 2 технических требований ТЗ на конструкцию РЭС.

Факторы технологичности и преемственности фиксируются в подразделах 4, 5 технических требований ТЗ.

Известно, что свойство технологичности объекта проявляется либо при подготовке производства и промышленном его выпуске (производственная технологичность), либо при техническом обслуживании и ремонте изделия (эксплуатационная технологичность).

Производственная технологичность характеризуется рядом характеристик, например, трудоемкостью, материалоемкостью, себестоимостью. Для снижения производственной технологичности конструктор может использовать эффективный прием - повысить объем применяемости ранее освоенных в производстве деталей и сборочных единиц. С этой целью используют различные формы преемственности - использование в новых изделиях, разработанных ранее, и освоенных в производстве деталей и узлов. Для оценки технологичности используют ряд показателей - коэффициенты унификации, стандартизации и т.д.

Эксплуатационная технологичность характеризуется: доступностью, контроле пригодностью, взаимозаменяемостью, обеспеченностью ЗИП, легкосъемностью с объекта.

Зачастую качественные характеристики эксплуатационной технологичности могут быть выражены и в количественной форме, например, время контроля и т.д.

Завершая раздел, укажем, что многие факторы из категории системных факторов, могут быть отнесены к другой категории и, соответственно, рассмотрены в следующей теме, т.к. деление на системные факторы и другие в значительной мере условно.

Контрольные вопросы по главе 3.

1. Роль ТЗ с точки зрения множества факторов определяющих РЭС.

2. Содержание заявки на разработку.

3. Содержание ТЗ.

4. Этапы разработки ТЗ.

5. Содержание ТТ.

6. Отличие ЧТЗ от ТЗ.

7. Суть анализа заявки.

8. Факторы, определяющие состав ТЗ.

9. Классификация системных факторов.

10. Факторы назначения - требования в ТЗ.

11. Факторы объекта - установки - требования в ТЗ.

12. Классификация РЭС.

13. Особенности наземных РЭС.

14. Особенности морских РЭС.

15. Особенности бортовых РЭС.

16. Особенности цифровых и аналоговых РЭС.

17. Особенности бытовой аппаратуры.

18. Конструктивные факторы - требования в ТЗ.

19. Технологические факторы - требования в ТЗ.