 |
Основные задачи и проблемы современного конструирования
|
|
|
|
Учебное пособие по дисциплине ОКРЭА
Список условных обозначений
БИС – большая интегральная схема;
БНК – базовая несущая конструкция;
ВОКС – волоконно-оптические кабели и соединители;
ГИС – гибридная интегральная схема;
ГФ – гетинакс фольгированный.
ЕСКД – единая система конструктивной документации;
ИМС – интегральная микросхема;
КД – конструкторская документация;
МВ – механические воздействия;
ОУ – операционный усилитель;
ПП – печатная плата;
РДП – рельефная двухслойная плата;
РП – рельефная плата;
РЭС – радиоэлектронное средство;
САПР – система автоматизированного проектирования;
СБИС – сверхбольшая интегральная схема;
СВЧ – сверхвысокая частота;
СФ – стеклотекстолит фольгированный;
ТЗ – техническое задание;
ТКЕ – температурный коэффициент емкости;
ТКС – температурный коэффициент сопротивления;
ТТ – технические требования;
ЭА – электронная аппаратура.
Содержание учебного пособия
Введение
Основные понятия и определения. Классификация РЭС
Основы и методы конструирования……………………………………………13
1.1. Основные задачи и проблемы современного конструирования……………13
1.2. Эволюция конструкций РЭС………………………………………………….14
1.3. Виды изделий и элементная база РЭС………………………………………..16
1.3.1. Резисторы постоянные…………………………………………………17
1.3.2. Резисторы переменные…………………………………………………22
1.3.3. Конденсаторы постоянной емкости……………………………….......26
1.3.4. Интегральные микросхемы…………………………………………….34
1.3.5. Транзисторы и диоды…………………………………………………..39
1.3.6. Электрические соединители……………………………………….......40
|
|
|
1.4. Конструкция РЭС и конструкторская иерархия……………………………..46
1.5. Классификация РЭС……………………………………………………….......47
1.6. Классы исполнения РЭС по условиям их эксплуатации……………………48
1.7. Особенности процесса конструирования…………………………………….49
1.8. Стадии разработки РЭС……………………………………………………….50
1.9. Организация процесса конструирования…………………………………….51
2. Техническая документация…………………………………………..……….52
2.1. Государственные стандарты…………………………………………………..52
2.2. Конструкторские документы………………………………………………….53
2.3. Схемная документация………………………………………………………..54
2.4. Схемы электрические принципиальные……………………………………...55
2.5. Текстовые документы…………………………………………………………57
2.6. Комплектность конструкторских документов……………………………….57
2.7. Технические требования и техническая характеристика……………….......59
2.8. Размеры, допуски и посадки на чертежах……………………………………60
2.9. Параметры шероховатости и их обозначение на чертежах…………………64
2.10. Сборочные чертежи и их содержание……………………………………....65
2.11. Спецификация и порядок ее оформления…………………………………..66
3. Конструкционные системы и технологичность конструкций РЭС……..67
3.1. Несущие конструкции РЭС……………………………………………….......67
3.2. Конструктивные разновидности корпусов интегральных микросхем……..69
3.3. Выбор материалов для элементов конструкции изделий РЭС……………..71
3.4. Разновидности и особенности разъемных и неразъемных соединений……73
3.5. Технологичность конструкций РЭС………………………………………….74
3.5.1. Показатели технологичности…………………………………………..74
3.5.2. Методы обеспечения технологичности……………………………….75
4. Электрические соединения в конструкциях РЭС………………………….77
4.1. Классификация методов электрических соединений……………………….77
|
|
|
4.2. Основные определения и типы печатных плат………………………….......78
4.3. Конструктивные характеристики печатных плат……………………………80
4.4. Электрические характеристики печатных плат……………………………...82
4.5. Рельефные печатные платы (РПП)……………………………………….......83
4.6. Материалы оснований печатных плат………………………………………..84
4.7. Печатный монтаж и методы его получения………………………………….86
4.8. Односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы…………88
4.9. Методы конструирования печатных плат……………………………………89
4.10. Последовательность процесса конструирования печатных плат…………90
4.11. Конструктивные покрытия печатных плат…………………………………91
4.12. Выбор и размещение отверстий……………………………………………..91
4.13. Маркировка печатных плат………………………………………………….92
4.14. Межконтактные соединения из объемного провода……………………….93
5. Компоновка и эргономические показатели РЭС…………………………..94
5.1. Требования к компоновочным решениям……………………………………95
5.2. Способы выполнения компоновочных работ………………………………..95
5.3. Факторы, определяющие эффективность деятельности оператора………..96
5.4. Эргономические показатели качества конструкции…………………….......97
5.5. Принципы организации и компоновки рабочего места……………………..97
5.6. Оформление лицевых панелей………………………………………………100
6. Защита конструкций РЭС от дестабилизирующих факторов…………..100
6.1. Классификация дестабилизирующих факторов……………………………100
6.2. Механические воздействия…………………………………………………..101
6.2.1. Параметры вибраций……………………………………………….....103
6.2.2. Воспроизведение механических воздействий на испытательных
стендах………………………………………………………………………..106
6.2.3. Динамические характеристики конструкций РЭС………………….110
6.2.4. Реакция конструкций РЭС на механические воздействия………….118
6.2.5. Защита конструкций РЭС от вибраций…………………………........121
6.2.6. Защита конструкций РЭС от ударов, линейных нагрузок и
акустических шумов…………………………………………………………126
6.2.7. Защита РЭС при транспортировании…………………………….......128
6.2.8. Методы расчета конструкций с использованием ЭВМ…………….131
|
|
|
6.2.9. Общие рекомендации по защите РЭС от механических
воздействий…………………………………………………………………..136
6.3. Тепловой режим конструкций РЭС…………………………………………138
6.3.1. Разновидности теплоотвода – теплопроводность, тепловое
излучение и теплопередача конвекцией……………………………………139
6.3.2. Способы охлаждения РЭС……………………………………………141
6.3.3. Тепловые трубки и термоэлектрические охладители………………144
6.3.4. Оценочный выбор способа охлаждения РЭС……………………….143
6.4. Защита конструкций РЭС от воздействия влаги……………………….......145
6.4.1. Источники и пути проникновения влаги…………………………….145
6.4.2. Взаимодействие влаги с материалами конструкций………………..146
6.4.3. Способы влагозащиты РЭС…………………………………………..146
6.4.4. Покрытия для защиты от коррозии…………………………………..146
6.4.5. Влагозащитные монолитные оболочки………………………….......148
6.4.6. Влагозащитные полые оболочки……………………………………..148
6.4.7. Влагозащита с использованием герметизирующих прокладок……150
6.4.8. Герметизация соединителей………………………………………….151
6.4.9 Технологичность конструкций влагозащиты………………………...151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература
Введение
Широкое использование изделий радиоэлектроники во всех сферах человеческой деятельности обусловливает большой объем технических, эксплуатационных и экономических требований как к самим радиоэлектронным средствам (РЭС), так и к элементной базе, материалам, конструктивно-технологическим решениям и т.п. Исключительно быстро возрастают сложность РЭС и их функциональная нагрузка. Поэтому старые методы их создания и использование дискретных элементов в настоящее время не позволяют разрешить постоянно углубляющееся противоречие между усложнением РЭС, увеличением их функциональных задач и повышением надежности, экономичности, технологичности, снижением массогабаритных показателей.
Для объективной экономической оценки принимаемых технических решений экономисту или менеджеру необходимо в определенной степени иметь представление об объектах экономической оценки – радиоэлектронной и электронной аппаратуре: организации процесса проектирования, рабочей документации, конструкционных системах РЭС, материалах и элементной базе, электрических соединениях в конструкциях РЭС, организации защиты от дестабилизирующих факторов, компоновке и т.д.
|
|
|
Курс лекций по дисциплине «Основы конструирования радиоэлектронной аппаратуры» в комплексе с практическими и лабораторными занятиями и курсовым проектированием призван дать соответствующую подготовку студентам инженерно-экономического факультета, а предлагаемое учебное пособие послужит хорошим подспорьем для решения этой задачи.
Основные понятия и определения.
Классификация РЭС. Основы
И методы конструирования
Основные задачи и проблемы современного конструирования
Цель процесса конструирования – создавать малогабаритную, высокоэффективную и надежную аппаратуру, производство и эксплуатация которой требует ограниченного расхода трудовых, энергетических и материальных ресурсов. Для достижения этой цели решают, как правило, три основные задачи современного конструирования:
- комплексная микроминиатюризация;
- защита от дестабилизирующих факторов (тепло, влага, механические воздействия и др.);
- повышение технологичности.
При решении задачи комплексной микроминиатюризации РЭС ищут резервы миниатюризации всех составных частей изделия, не ограничиваясь только узлами, в которых можно применить интегральные микросхемы (ИМС), т.е. элементной базы, системы питания, охлаждения, автоматики и т.д.
Решение задачи комплексной микроминиатюризации РЭС начинается с формирования технических требований к проектируемому изделию в отношении максимального снижения габаритов, массы и энергопотребления. Это решение должно осуществляться по схемотехническому и конструкторскому направлениям взаимосвязано и согласованно. Конструкторское направление включает решение трех основных вопросов комплексной микроминиатюризации:
- структура конструкции РЭС;
- материалы;
- элементная база.
При выборе оптимальной структуры конструкции РЭС по критерию комплексной микроминиатюризации необходимо использовать большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), волоконно-оптические кабели и соединители (ВОКС).
При выборе материалов для несущих конструкций и элементов необходимо применять легкие в высокопрочные материалы, например алюминиевые и магниевые сплавы.
Комплексная микроминиатюризация элементной базы – наиболее сложный вопрос, особенно в отношении элементов автоматики и коммутационных компонентов.
|
|
|
Вторая задача конструирования РЭС – защита от дестабилизирующих факторов (тепло, влага и др.) – возникла как побочное следствие миниатюризации.
Третья задача – повышение технологичности – решается на основе унификации и стандартизации. Избыточное разнообразие существующих в настоящее время схемотехнических и конструкторских решений резко снижает технологичность конструкции РЭС. Различают две разновидности технологичности – производственную и эксплуатационную.
Производственная технологичность – это минимальные трудовые и материальные затраты при изготовлении изделия.
Эксплуатационная технологичность – минимальные сроки для предупреждения, обнаружения и устранения неисправностей и отказов в работе аппаратуры.
Эволюция конструкций РЭС
Первые устройства проводной телеграфной связи появились в 1832 г. (русский изобретатель П.Л. Шиллинг). Первый в мире радиоприемник, изобретенный А.С. Поповым, был продемонстрирован в 1895 г.
Конструкционное исполнение первых РЭС напоминало аппаратуру проводной связи (деревянный ящик, монтаж неизолированным проводом, контактирование с помощью винтов). Установка РЭС на суда и автомобили (1925 – 1935 гг.) привела к необходимости увеличения прочности и экранирования отдельных узлов с помощью металлического шасси. Увеличение серийности выпуска аппаратуры привело к созданию конструкторской иерархии (унификации и соподчиненности несущих базовых конструкций). Для защиты аппаратуры танков и самолетов (1935 – 1945 гг.) были разработаны герметичные корпуса, которые устанавливались на виброизоляторы (амортизаторы). Требование существенной минимизации массы и объема ракетной аппаратуры (1940 – 1950 гг.) привлекло к созданию микромодулей, печатных плат, полупроводниковых приборов, коаксиальных кабелей, полосковых линий, интегральных микросхем. Дальнейшее усложнение аппаратуры в 1960 – 1970 гг. привело к появлению элементов функциональной микроэлектроники. В настоящее время начинает развиваться наноэлектроника.
Условились различать следующие поколения РЭС.
РЭС первого поколения (20 – 50-е годы прошлого столетия) были построены с использованием электровакуумных ламп, дискретных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), проводных электрических связей.
Ко второму поколению РЭС (50 – 60-е годы) относят конструкции РЭС на печатных платах и дискретных полупроводниковых приборах.
К третьему поколению относятся конструкции на печатных платах и ИМС малой степени интеграции (60 – 70-е годы).
В конструкциях РЭС четвертого поколения применяются большие интегральные микросхемы (БИС), многослойные печатные платы, гибкие печатные шлейфы, микрополосковые линии. В интегральной электронике сохраняется главный принцип дискретной электроники – разработка электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип обусловливает рост числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций. Однако повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы из-за возникающих проблем технологии изготовления, теплоотвода и др.
В РЭС пятого поколения находят применение приборы функциональной микроэлектроники. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя физические явления в твердых телах. При этом локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые необходимы для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления этой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.). С течением времени изменялось и понятие РЭС. Вначале использовалось понятие «аппаратура». Аппаратура, используемая для решения технических задач обнаружения целей, наведения, навигации и т.д., называлась «радиотехническая аппаратура». Развитие ЭВМ и систем автоматики привело к появлению понятия «электронная аппаратура». Дальнейшее усложнение аппаратуры привело к понятию «радиоэлектронная аппаратура». Введение в состав аппаратуры различных электромеханических устройств, систем питания, теплоотвода и контроля привело к понятию «радиоэлектронное средство».
|
|
|
