close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Larin 0D5724E197

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ
И ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ.
ПРАКТИКУМ РАЗРАБОТЧИКА
Часть 1
Методические указания
к курсовому проектированию
и конструкторско-технологической части
выпускных квалификационных работ
Санкт-Петербург
2017
Составители: В. П. Ларин, Б. Г. Филатов, Д. К. Шелест
Рецензент – кандидат технических наук, доцент А. В. Прусов
Даны рекомендации для выполнения курсовых проектов по конструированию и конструкторско-технологическому проектированию, предусмотренных учебными планами направлений: 11.03.01 – «Радиотехника»;
11.03.03 – «Конструирование и технология электронных средств»; 12.03.01 –
«Приборостроение»; 12.03.04 – «Биотехнические системы и технологии»;
12.03.05 – «Лазерная техника и лазерные технологии»; специальности
11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Изложены требования к выполнению и варианты содержаний проектов
в соответствии со спецификой направленности образовательных программ и
программ дисциплин.
Издание состоит из двух частей: в первой изложены решения задач, выполняемых на этапе анализа ТЗ, разработки технических требований и других задач, соответствующих этапу технического предложения. Вторая часть
посвящена решению задач проектирования печатных плат и электронных
модулей на их основе.
Указания предназначены для студентов вышеназванных направлений
подготовки, а также бакалавров направлений 09.03.01 – «Информатика и
вычислительная техника»; 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника»;
специальностей 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы»;
24.05.06 (161101) – «Системы управления летательными аппаратами» всех
форм обучения.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 4.12.17. Подписано к печати 21.12.17.
Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 5,17.
Уч.-изд. л. 5,56. Тираж 50 экз. Заказ № 543.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2017
Перечень принятых сокращений и терминов
КП – курсовой проект
ВКР – выпускная квалификационная работа
КТП – конструкторско-технологическое проектирование
ТЗ – техническое задание
ТП – технологический процесс
ТТ – технические требования
ТУ – технические условия
В настоящих МУ применены следующие термины:
– несущая конструкция – по ГОСТ 26632;
– базовая несущая конструкция – по ГОСТ 26632;
– базовые несущие конструкции первого, второго и третьего
уровней разукрупнения – по ГОСТ 26632;
– электронный модуль – по ГОСТ 26632;
– электронный модуль первого уровня разукрупнения – по
ГОСТ 26632;
– модульный принцип – по ГОСТ 26765.20;
– координационный размер – по ГОСТ 26765.20;
– базовый шаг – по ГОСТ 26765.20;
– технологичность – по ГОСТ 14.201;
– контролепригодность – по ГОСТ 19919;
– техническое диагностирование – по ГОСТ 20911;
– взаимозаменяемость – по ГОСТ Р 1.0;
– радиоэлектронная защита – обеспечение устойчивой работы
аппаратуры в условиях воздействия преднамеренных помех, специальных излучений, а также взаимных помех;
– электромагнитная совместимость – по ГОСТ 23611;
– система «человек – машина» – по ГОСТ 26387;
– эргономическое обеспечение – по ГОСТ 26387.
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современная трактовка процесса разработки вопросов конструирования и технологии заключается в совместном их выполнении,
начиная с ранних этапов проектирования изделия. В нормативной
документации этот принцип определен комплексом государственных стандартов «Технологическое обеспечение создания продукции» (ГОСТ Р 50995-96). Исходя из этого, каждая из отдельных
задач, рассматриваемых в данных методических указаниях, является частной задачей единого цикла конструкторско-технологического проектирования в выпускных квалификационных работах.
Разделение этого цикла на «конструирование» и «технологическое
проектирование» является условным и проведено для удобства изложения частных задач и в связи с раздельным выполнением курсовых проектов по конструированию электронных модулей и технологии сборки и монтажа по учебным планам направлений 11.03.03,
12.03.01(02), 12.03.05. Настоящие методические указания являются практическим дополнением учебного пособия [1], в котором рассмотрены все теоретические вопросы конструкторско-технологического проектирования приборов и электронных средств.
Конструирование, как вид инженерной деятельности выпускника, есть многостадийный процесс выбора и отражения в конструкторской документации следующих результатов: структуры, размеров, формы изделия в целом и его частей; функциональных связей
между частями и их взаимного расположения; используемых материалов и комплектующих изделий; указания на технологию изготовления и др.
Конечная цель конструирования – получение высоких значений
показателей качества конструкции изделия при обеспечении наименьшей трудоемкости ее изготовления.
Поиск решений при конструировании основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения
требований задания на проектирование изделия по функциональному назначению и надежности при использовании технологий,
материалов и комплектующих изделий, номенклатура и свойства
которых ограничены требованиями технического задания. Поиск
проводится применительно к условиям промышленного производства, проявляющим себя в ограничениях технологического и экономического характера.
Заданиями на конструкторско-технологическое проектирование (КТП) в курсовых проектах (КП) и конструкторско-технологи4
ческое проектирование в выпускных квалификационных работах
(ВКР) бакалавров и специалистов должно предусматриваться создание конструкции изделия на современном уровне, т. е. изделия
малогабаритного, высокоэффективного и надежного, производство
и эксплуатация которого потребует ограниченного расхода трудовых, энергетических и материальных ресурсов.
Технологическое проектирование является также процессом
многостадийным, выполняемым для разработки технологической системы, необходимой для выполнения выбираемых технологических функций. В зависимости от специфики темы проекта,
принципов проектирования изделия и этапа проектной стадии,
технология определяется принятым конструкторским решением,
или наоборот, технология, установленная заданием, определяет
выбор варианта конструкторского решения. В основном при выполнении ВКР технологические решения принимаются на основе
результатов конструирования, т. е. на основе выбранных материалов, требований разработанных конструкторских документов и
установленных объемов производства проектируемого изделия
производится выбор метода технологического преобразования,
разрабатывается технологический процесс, выполняется расчет
технологических режимов и, при необходимости, проектируется
технологическая оснастка. Все это отражается в технологической
документации.
В соответствии с различными уровнями конструкторско-технологических требований образовательных стандартов направлений,
круг решаемых задач может быть отнесен к одной из стадий жизненного цикла изделия (проектирование, производство, эксплуатация)
или к одному из этапов проектной стадии: НИОКР (аванпроект),
техническое предложение, эскизный проект, технический проект.
Объем и глубина разработки, а также состав конструкторской документации определяются требованиями нормативно-технической
документации по установленной заданием стадии жизненного цикла объекта разработки.
Уровень разработки конструкции, вопросов технологии и число
задач, решение которых может быть включено в задание по конструкторско-технологической части бакалаврского проекта по конкретному направлению (специальности), зависит от содержания
квалификационных требований образовательной программы в части реализуемых конструкторско-технологических компетенций.
Целью конструкторско-технологического проектирования в КП
и в ВКР направлений и специальностей 11.03.01, 11.03.03, 11.05.01,
5
12.03.01, 12.03.04, 12.03.05 является формирование практических
навыков конструирования приборов и устройств и технологического проектирования их изготовления. Выполнение проектных
заданий способствует формированию у студента конструкторского
мышления и расширению области навыков сквозного конструкторско-технологического проектирования.
Использование настоящих МУ в ВКР бакалавров нацелено
только на оказание помощи в решении практических задач КТП,
так как все организационно-методические указания и рекомендации по выполнению ВКР в полной мере изложены в методических указаниях выпускающих кафедр, в частности по кафедре 23: «Выпускная работа бакалавра. Методические указания
студентам, выполняющим подготовку выпускной работы по кафедре конструирования и технологий электронных и лазерных
средств» [2].
В процессе КТП предусматривается обеспечение освоения компетенций, предусматривающих следующие основные знания, умения и навыки:
– использование системного подхода к проектированию;
– приобретение навыков конструкторского анализа, использования эвристических приемов и развитие интуиции проектировщика;
– расширение опыта работы с конструкторскими и технологическими базами данных;
– приобретение навыков по принципам выбора элементной базы
при конструировании прибора (по уровню интеграции функций,
типу корпуса, эксплуатационным параметрам, погрешности основных параметров и др.);
– овладение модульным принципом конструирования, правилами функционального разбиения изделия и агрегатирования;
– приобретение практических навыков в решении типовых задач конструирования модулей первого уровня и выполнению конструкторских расчетов по изделию в целом;
– приобретение практических навыков в решении типовых задач технологического проектирования узлов и приборов, а также по
проектированию технологических систем;
– приобретение опыта составления технической документации
на изделие (технических условий (ТУ), описаний, инструкций, чертежей, спецификаций, технологических схем и др.).
При составлении МУ использованы материалы предыдущих
учебно-методических разработок кафедры, учебное пособие [1], а
также новейшие публикации родственных кафедр других вузов.
6
Данное издание в основном предназначено для использования в
решении практических задач КТП на первом образовательном уровне высшего образования, но может быть рекомендовано для дисциплин магистерской подготовки по направлениям 11.04.03, 11.04.04,
12.04.01, а также при подготовке контрольных работ и КП студентами заочной формы обучения.
7
1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЙ КОНСТРУКТОРСКОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Рекомендации по выбору направления задания
на конструкторско-технологическое проектирование
Исходя из приведенных в предисловии сведений об адресном назначении данных методических указаний, проведем классификацию КП и ВКР по содержанию решаемых конструкторско-технологических задач в соответствии с образовательными программами
направлений и специальностей.
Уровень разработки конструкции, вопросов технологии и число
задач, решение которых может быть включено в задание на КП или
по конструкторско-технологической части ВКР по конкретному направлению (специальности), зависит от содержания квалификационных требований образовательной программы по конструированию и технологии.
В табл. 1.1 приведены результаты классификации заданий на
конструкторское и конструкторско-технологическое проектирование КТП, подлежащее выполнению по учебным планам направлений и специальностей.
Объектом конструирования или конструкторско-технологического проектирования в КП является электронный узел, разрабатываемый в стандартизованном модульном исполнении или в виде оригинальной нестандартной конструкции. Конструкция электронного
Таблица 1.1
Классификация заданий на проектирование в КП и ВКР
№ классифицированной
группы
Направление
(специальность)
Вид проекта
Содержание
проектирования
1
2
3
4
5
11.03.03, 12.03.01(02),
12.03.05
11.03.03, 12.03.01(02),
12.03.05
11.05.01,
12.03.04
11.03.01,
11.05.01,
12.03.04
КП
КП
ВКР бакалавра
ВКР бакалавра
КП
Конструирование
Конструирование
КТП
КТП
КТП
ВКР бакалавра.
ВКР специалиста
КТП
6
8
узла может разрабатываться в законченном корпусированном исполнении или в виде конструкции, встраиваемой в блок, пульт, стойку.
На функциональное назначение объекта КП ограничений не накладывается, рекомендуется его соответствие объектам профессиональной деятельности соответствующей образовательной программы.
Всю совокупность типовых задач КТП сгруппируем в разделы
таким образом, чтобы можно было каждой классифицированной
группе проектов, приведенных в табл. 1.1 поставить в соответствие
определенный перечень типовых задач, подлежащих решению:
1. Анализ ТЗ на конструирование электронного модуля.
2. Разработка технического предложения на проект электронного модуля (ЭМ).
3. Эскизное конструирование ЭМ.
4. Технологическое проектирование ЭМ.
5. Анализ технологичности конструкции ЭМ и расчет показателей технологичности.
6. Разработка технических условий на ЭМ.
Содержание типовых задач проектирования в каждой из перечисленных групп приведено в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Содержание типовых задач проектирования в укрупненных группах
Укрупненная
группа задач
проектирования
Состав типовых задач проектирования,
подлежащих решению в соответствии с заданием
по определенной классифицированной группе
1. Анализ ТЗ
Формирование общих технических требований в соотна конструиро- ветствии с заданием.
вание ЭМ
Ориентировочный выбор компоновочного решения модуля в конструкции верхнего уровня
2. Разработка
Анализ принципиальной электрической схемы и выбор
технического
элементной базы.
предложения
Выбор системы БНК, типоразмера печатной платы (ПП)
на проект ЭМ
и класса точности ее изготовления.
Компоновочный расчет модуля и определение показателей объема и формы.
Выбор варианта конструктивно-технологической реализации
3. Эскизное
Выбор конструкционных материалов и базовых техноконструирова- логий их обработки.
ние ЭМ
Проектирование ПП.
Выбор и обоснование метода изготовления ПП
Выбор и обоснование технологии изготовления монтажного основания.
9
Окончание табл. 1.2
Укрупненная
группа задач
проектирования
4. Технологическое проектирование ЭМ
5. Анализ технологичности
конструкции
ЭМ и расчет
показателей
технологичности
6. Разработка
технических
условий на ЭМ
Состав типовых задач проектирования,
подлежащих решению в соответствии с заданием
по определенной классифицированной группе
Топологическое проектирование ПП.
Конструирование модуля.
Разработка решений по обеспечению теплового режима.
Расчет устойчивости конструкции модуля к механическим воздействиям.
Оценка влияния температуры, влажности и старения
на выходной параметр модуля.
Обеспечение надежности модуля и расчет показателей
безотказности.
Обеспечение электромагнитной совместимости.
Расчет показателей качества конструкции модуля.
*Конструирование микросборки
Конструктивно-технологический анализ модуля как
объекта сборки.
Составление спецификации сборки модуля.
Разработка технологической схемы сборки модуля.
Разработка маршрутного ТП сборки модуля.
Выбор технологического оснащения.
Разработка технологических операций контроля и испытаний.
Разработка планировки технологической системы сборки
Анализ технологичности разработанного модуля.
Расчет показателей технологичности конструкции модуля
Разработка технических условий на модуль
1.2. Порядок составления и утверждения задания
на конструкторско-технологическое проектирование
1.2.1. Порядок выдачи заданий на курсовое проектирование
Для выполнения курсовых проектов на кафедре разработаны
три варианта бланков заданий и бланк титульного листа, являющийся единым для всех курсовых проектов, выполняемых по дис10
циплинам кафедры. Бланк задания на КП по конструированию для
1-й классифицированной группы (направления 11.03.03 и 12.03.01)
приведен в приложении А, бланк задания на КП по конструированию для 2-й группы (направление 12.03.05) приведен в приложении Б, бланк задания на КП по КТП для 5-й группы (направление
12.03.04 и специальность 11.05.01) приведен в приложении В. Бланк
титульного листа пояснительной записки к КП приведен в приложении Г. Бланк задания на КТП в ВКР (приложение к заданию на
ВКР) приведен в приложении Д.
В бланк задания руководителем вписывается наименование и
назначение проектируемого устройства, и исходные требования и
ограничения на конструирование. При необходимости руководителем проекта могут быть удалены отдельные пункты типового задания и вписаны задачи, подлежащие выполнению, исходя из специфики конструируемого устройства.
Заполненные бланки задания и титульного листа должны быть
подписаны руководителем проекта и исполнителем с проставлением даты.
Разделы пояснительной записки КП целесообразно выполнить
в той последовательности, в которой они приведены в задании.
– Устанавливается следующий порядок составления и утверждения задания на КП:
– студент с помощью руководителя КП и руководителя по УИРС
выбирает один из вариантов объекта конструирования, или предлагает свой объект разработки;
– из задач, перечисленных в табл. 1.2, составляется задание на конструирование или КТП с формированием наиболее целесообразных
для специфических требований и условий объекта проектирования;
– к бланку задания прикладывается материал, позволяющий
получить исполнителю необходимые исходные данные для решения типовых задач конструирования или КТП (принципиальная
электрическая схема, характеристика выполняемых функций и условий функционирования);
– тематика КП ежегодно рассматривается и утверждается на заседании кафедры по представлению преподавателей, ответственных за конструкторские дисциплины
1.2.2. Порядок выдачи заданий на КТП
в выпускной квалификационной работе
В соответствии с различными уровнями конструкторско-технологических требований образовательных программ направлений и
11
специальностей, круг решаемых задач КТП может быть отнесен к
одной из стадий жизненного цикла изделия (проектирование, производство, эксплуатация) или к одному из этапов проектной стадии:
НИОКР (аванпроект), техническое предложение, эскизный проект,
технический проект. Объем и глубина разработки, а также состав
конструкторской документации определяются руководителем ВКР с
учетом требований нормативно-технической документации по установленной заданием стадии жизненного цикла объекта разработки.
Уровень разработки конструкции, вопросов технологии и число
задач, решение которых может быть включено в задание по конструкторско-технологической части ВКР по конкретному направлению (специальности), зависит от содержания квалификационных
требований образовательного стандарта относительно профессиональных задач проектно-конструкторского и производственно-технологического видов деятельности выпускников.
Объем и содержание задач КТП, включаемых в задание на ВКР
зависит также от специфики объекта проектирования, условий его
функционирования и необходимом уровне детализации КТП.
В качестве рекомендации рассмотрим различные варианты задания по конструкторско-технологической части ВКР для направлений 11.03.01, 12.03.04, 12.03.05 и специальности 11.05.01 (4-я и
6-я классифицированные группы по табл. 1.1), с учетом вышеприведенного подхода.
Вариант 1. Определение общих требований к конструкции изделия по его функциональному назначению и надежности. Вариант
рекомендуется для проектов системного и системно-структурного
уровней разработки. Определяемая группа технических требований устанавливает первичную задачу разработки, формулируется
в виде ограничений или норм и может содержать следующее:
– определение связей и зависимостей между функциональными
параметрами и конструктивным решением, выбор числа структурных уровней конструкции;
– выбор класса объекта установки, климатического исполнения
и категории размещения изделия на объекте;
– задание массогабаритных характеристик и определение способов их обеспечения;
– определение вида закрепления изделия на объекте;
– формулировка общих требований по надежности, выбор показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности, требующих оценки и обеспечения;
– установление требований эргономики и безопасности;
12
– технологический анализ изделия, выбор базовых технологий
для реализации конструктивных решений.
Вариант 2. Разработка конструкторско-технологических требований на выбор варианта конструкции. Данный вариант задания по конструкторско-технологической части рекомендуется для
проектов, содержащих структурно-функциональную разработку
изделия с формированием функциональных модулей (узлов). Для
выбора варианта конструкции изделия или его функционального
модуля необходимо обоснованно установить требования на:
– технологичность конструкции;
– унификацию базовой несущей конструкции определенного
структурного уровня;
– выбор базовых технологий для реализации конструктивных
решений, разработка технологических требований по изготовлению изделия;
– элементную базу и тип ее конструктивного исполнения;
– устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;
– ремонтопригодность и контролепригодность;
– обеспечение теплового режима;
– обеспечение помехоустойчивости и помехозащищенности;
– материалы и покрытия;
– эргономику и техническую эстетику.
Вариант 3. Обоснование выбора варианта конструкции изделия.
На основе разработанных требований и установленных структурных уровней производится выбор варианта конструкторского решения. Для его обоснования и оценки необходимо определить номенклатуру показателей качества, произвести подбор аналогов на основе
патентного поиска и выбрать базовое изделие, удовлетворяющее современному уровню требований и имеющее высокие показатели качества конструкции. Данный вариант задания рекомендуется для
ВКР большинства инженерных специальностей, в образовательных
стандартах которых имеются соответствующие требования к уровню
конструкторско-технологической подготовки выпускника и в зависимости от содержания этих требований можно рекомендовать следующие формулировки вопросов этого варианта задания:
– анализ современного уровня требований к конструкции изделия;
– направления реализации требований по надежности;
– выбор и обоснование направления схемно-конструктивного построения;
– формирование требований по устойчивости конструкции
к внешним воздействиям;
13
– выбор мероприятий по достижению требуемой надежности;
– разработка варианта конструкции выбранного структурного
уровня изделия с обеспечением устойчивости конструкции к внешним воздействиям;
– технологическое проектирование – выбор и обоснование типовых технологических решений;
– сквозная конструкторская разработка функционального модуля
изделия с выбором методов и средств технологической реализации;
– разработка мероприятий по техническому обслуживанию и
ремонту изделия и технологического обеспечения подлежащих выполнению работ.
Вариант 4. Разработка конструкции изделия и его конструктивных элементов. Данный вариант задания рекомендуется для ВКР
конструкторско-технологической направленности или для проектов, в которых предусматривается детальная разработка части (элемента) конструкции изделия.
К числу решаемых задач конструкторско-технологического проектирования в этом случае можно отнести:
– анализ современного уровня требований к конструкции изделия;
– выбор и обоснование направления схемно-конструктивного
построения на базе типовых модулей или функционально-узловой
синтез конструкции;
– разработка структурных уровней конструкции изделия;
– выполнение компоновочных разработок (на плоскости монтажного основания и (или) в объеме изделия);
– направления реализации требований по надежности и выбор
мероприятий по достижению требуемой надежности;
– расчет показателей надежности;
– формирование требований по устойчивости конструкции
к внешним воздействиям;
– расчеты устойчивости конструкции к механическим воздействиям;
– расчет теплового режима конструкции и разработка (выбор)
системы охлаждения;
– обеспечение электромагнитной совместимости устройства;
– оценка уровня качества конструкции и эффективности ее использования;
– анализ технологичности конструкции, разработка мероприятий по обеспечению высокого уровня технологичности, расчет показателей;
14
– разработка технологических процессов изготовления или технического обслуживания при эксплуатации;
– проектирование технологической системы (изготовления характерной детали, сборки, контрольно-испытательных операций);
– выбор технологического оборудования и проектирование технологической оснастки;
– разработка технических условий на изделие.
Устанавливается следующий порядок составления и утверждения задания на конструкторско-технологическую часть ВКР бакалавра или специалиста:
– задание на конструкторско-технологическую часть ВКР выдается руководителем ВКР с учетом рекомендаций, приведенных
в данных методических указаниях;
– для помощи в формировании задания на КТП в ВКР и его выполнения по направлениям 11.03.01, 12.03.04 и специальности 11.05.01
может быть назначен консультант из числа преподавателей кафедры
23 по согласованию вопроса между заведующими кафедрами;
– студент с помощью руководителя ВКР выбирает один из вариантов конструкторско-технологической части, в наибольшей степени соответствующий конкретной теме ВКР;
– из задач, перечисленных для выбранного варианта, составляется задание на конструкторско-технологическое проектирование
на основе задач, наиболее целесообразных для решения;
– свои предложения студент формулирует консультанту по конструкторско-технологической части ВКР (если он назначен), аргументируя их ссылкой на предъявленное задание на ВКР;
– задание по конструкторско-технологической части, согласованное с консультантом вносится в задание на ВКР как приложение и подписывается им. При этом, в графе «Дополнительные требования и ограничения» бланка задания указывается: «Задание на
конструкторско-технологическое проектирование приведено в приложении к заданию на ВКР на с. 3»;
– вопросы задания подлежат анализу, уточнению и обоснованию
во вводном разделе конструкторско-технологической части пояснительной записки;
– черновые тексты отдельных разделов пояснительной записки
и чертежно-графические материалы (или весь материал конструкторско-технологической части) сдаются на проверку консультанту
и после исправления его замечаний – переписываются;
– конструкторские и технологические чертежи, включенные в
задание на конструкторско-технологическую часть ВКР, контро15
лируются и подписываются консультантом (в графе «Т. контроль»
штампа чертежа). За чертежи, не подписанные консультантом, несет полную ответственность студент – автор ВКР.
1.3. Общие указания по структуре изложения текста
решения задач
В КП все принимаемые решения должны быть обоснованы. Рекомендуется следующая структура изложения в пояснительной записке решения каждой из задач проектирования:
– выполнение выбора направления, способа, методики решения
задач с обоснованием принятого решения;
– проведение расчета, сравнительной оценки;
– выводы.
Начало разделов и подразделов по выбору решения и разработке
должно быть посвящено обоснованию предлагаемого решения (а не
описанию этого решения). Описание дается после выполнения всех
элементов решения задачи.
Способ обоснования может быть различным в зависимости от
раздела КП, его заголовка, сути решаемой задачи и имеющегося
материала для обоснования.
Обоснование можно выполнить:
– путем сравнения альтернативных вариантов и выполнение вывода о преимуществах одного из них;
– можно для обоснования сослаться на авторитетный источник
(но этим вариантом не надо увлекаться, т. е. применять в одномдвух разделах);
– ссылкой на задание;
– ссылкой на проведенный аналитический обзор.
При выборе из альтернативных вариантов необходимо ввести
критерии принятия решения.
Наиболее предпочтительный вариант – приведение таблицы со
сравниваемыми показателями.
Выводы по разделам должны быть обязательно. Нельзя заканчивать разработку, расчеты без выводов. Полученные результаты должны быть подвергнуты сравнению с соответствующей позицией ТЗ.
16
2. АНАЛИЗ ТЗ НА КОНСТРУИРОВАНИЕ МОДУЛЯ
2.1. Формирование общих технических требований
на проектирование
2.1.1. Положения по формированию общих требований
на аппаратуру – место установки модуля
В ТЗ на курсовой проект по разработке конструкции модуля аппаратуры конкретного типа, или в ТЗ на КТП в ВКР, должны содержаться требования к конструктивно-техническим характеристикам, обеспечивающие создание надежных и эффективных образцов
аппаратуры на основе использования прогрессивных принципов
конструирования, изготовления, обслуживания и ремонта. При
этом выполнение заданных требований по эксплуатационным характеристикам аппаратуры должно достигаться при минимальных
затратах труда и средств. В задании на КП или ВКР указывается
обычно только класс, тип или назначение изделия, в которое входит проектируемый объект, поэтому формирование общих ТТ, относящихся ко всему изделию (системе, комплексу) и частных ТТ,
устанавливаемых только на проектируемый ЭМ является одной из
исходных задач проектирования.
Конструктивно-технические требования на аппаратуру должны задаваться в соответствии с положениями стандарта ГОСТ РВ
20.39.309-98, а также при необходимости в соответствии с порядком, установленным в нормативных документах системы общих
технических требований Минобороны на виды образцов ВВТ.
Условно все общие ТТ (ОТТ) можно разделить на две группы: системно-методические ОТТ, нацеленных на получение эффективного
проекта с высокими значениями качества конструкции и ОТТ, определяемые условиями эксплуатации в виде установленных значений
параметров воздействующих факторов по ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Разработка аппаратуры должна проводиться на основе и с учетом следующих системно-методических ОТТ:
– модульного принципа конструирования;
– использования принципа стандартизации, унификации, агрегатирования ЭМ различного уровня разукрупнения, печатных плат,
несущих конструкций, электромеханических, гидравлических, оптоэлектронных и релейно-коммутационных узлов аппаратуры;
– использования средств и методов автоматизированного проектирования ЭМ на основе реализации принципов надежностно-ориентированного проектирования составных частей и аппаратуры в целом;
17
– типизации основных технологических процессов изготовления и контроля ЭМ в условиях гибких автоматизированных производств;
– специализации производства стандартных аппаратурных составных частей и базовых несущих конструкций;
– обеспечения контролепригодности аппаратуры и ее составных
частей;
– свойств, конструктивно-технологических особенностей и эксплуатационных характеристик элементной базы;
– оптимизации структуры аппаратуры, использование прогрессивных методов обработки сигналов, современных способов коммутации, новых физических принципов действия и конструктивных
решений.
Система применяемых и проектируемых ЭМ должна удовлетворять следующим основным требованиям:
– функциональная полнота ЭМ, необходимая для построения аппаратуры различного назначения;
– совместимость всех ЭМ (информационная и программная для
средств вычислительной техники, конструктивная, электрическая, электромагнитная, эксплуатационная), обеспечивающая их
применение в различных сочетаниях в составе радиоэлектронных
систем;
– функциональная и конструктивная завершенность ЭМ, обеспечивающая гибкость их применения в составе аппаратуры и возможность ее наращивания в процессе жизненного цикла без доработки
ЭМ, находящихся в эксплуатации;
– возможность наращивания характеристик самих ЭМ по разрядности, выполняемым функциям и т. п.;
– возможность перестройки функциональной структуры и характеристик у аналоговых ЭМ;
– возможность автоматизированного контроля работоспособности, прогнозирования и выявления неисправностей. В зависимости
от уровня сложности ЭМ и выполняемой им функции они могут содержать функции по автоконтролю и отображению собственного
технического состояния;
– обеспеченность конструктивными приемами и средствами конструктивной совместимости, оптимизации теплового и электрического режимов для всех электрорадиоизделий ЭМ;
– полная взаимозаменяемость ЭМ, выполняющих одинаковые
функции и поставляемых по единым техническим условиям;
– высокая безотказность и ремонтопригодность ЭМ.
18
Конструкция аппаратуры не должна иметь механических резонансов в диапазоне частот 35-60 Гц для групп 2.1 и 2.3 и до 25-40 Гц
для остальных групп аппаратуры по ГОСТ РВ 20.39.301.
Конструкция аппаратуры должна быть технологичной. Номенклатура показателей технологичности конструкции должна соответствовать ГОСТ 14.201, а уровни показателей технологичности
устанавливают в НД на аппаратуру конкретного типа.
Конструкция аппаратуры должна быть ремонтопригодной.
Оценка соответствия конструкции разрабатываемой аппаратуры
установленным требованиям должна проводиться методами, изложенными в ГОСТ РВ 20.57.310.
ОТТ второй группы связаны со специфическими условиями эксплуатации изделия. в которое входит проектируемый ЭМ. Для установки этих эксплуатационных ОТТ необходимо определить, к какой группе условий эксплуатации и к какой категории размещения
относится рассматриваемое изделие, используя табл. 2.1. После этого, на основе приведенных ниже рекомендаций, ОТТ оформляются
в виде таблицы, содержащей перечень наименований параметров
внешних факторов, влияющих на функционирование изделия и
ВНЕШНИЕ ПРОЦЕССЫ
Механические и климатические воздействия,
влияние пыли, биологических факторов
и специальных сред
ВНУТРЕННИЕ ПРОЦЕССЫ
ПОЛЯ, ВОЛНЫ
МЕХАНИЧЕСКИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ
ТРЕБОВАНИЯ
И ОГРАНИЧЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО
ЗАДАНИЯ (ТЗ)
ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ РАБОТЫ
ПРОДУКТЫ РАЗЛОЖЕНИЯ
ВЕЩЕСТВ
КОРРОЗИИ
РАЗЛИЧНОГО ВИДА
ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ
ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Параметры
и характеристики
конструкции
Показатели качества
функционирования
Экономические
показатели
Экологические
характеристики
Электромагнитные поля и волны
различной природы и параметров
ВНЕШНИЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2.1. Факторы, определяющие состав и содержание
технических требований к конструкции аппаратуры
19
значения этих параметров, заданные в виде предельно допустимых
величин или двусторонним ограничением.
Вся совокупность требований на конструктивно-технологическое проектирование, определяется параметрами и характеристиками ТЗ (в которые входят ОТТ системно-методической группы) и
факторами, влияющими на функционирование аппаратуры при
эксплуатации (рис. 2.1).
2.1.2 Рекомендации по формированию общих
технических требований
В пояснительной записке к КП или ВКР после формулировок
цели проекта и перечня задач, подлежащих решению, должны быть
установлены ОТТ к назначению изделия, к конструктивному и климатическому исполнению и к категории размещения. Рекомендации по выполнению этих задач и примеры формулировок приведены курсивом.
а) Требование к назначению.
Необходимо указать назначение изделия, в которое входит проектируемый ЭМ, область применения и основные выполняемые
функции. Первоначально необходимо определиться с группой жесткости эксплуатации изделия, а для этого надо определить его принадлежность к классифицированным видам объектов.
Объекты, на которые устанавливается проектируемые изделия, делятся на классы и группы, Укрупненная классификация
объектов установки приборов и ЭС приведена на основе ГОСТ РВ
20.39.304-98.
Различают классы наземных, морских, авиационных, ракетных, космических и артиллерийских объектов. Классы делятся на
категории ВВТ, которые, в свою очередь, подразделяются на группы
исполнений (см. приложение А). Необходимо подобрать наиболее
подходящую группу исполнения аппаратуры для разрабатываемого изделия для определения ВВФ и нормативных значений параметров воздействующих факторов.
Пример формулировки: Разрабатываемое устройство предназначено для …
Устройство входит в состав системы обнаружения активных
РЛС, устанавливаемой на объекте, транспортируемом на автодорожном ходу.
Основная функциональная задача устройства состоит в реализации быстрой перестройки генератора…, поддерживая при этом
высокую стабильность частоты ….
20
б) Требование к конструктивному исполнению содержит сведения о степени самостоятельности изделия (автономное; встраиваемое как составная часть конструкции более высокого уровня;
комбинированное) и к уровню сложности изделия (микромодуль
планарного или объемного исполнения, модуль на основе печатной
платы, субблок, блок, пульт, стойка, шкаф, комплекс из нескольких стоек, пультов и шкафов).
Выбрать и указать один из перечисленных вариантов.
в) Требование к климатическому исполнению устанавливается
на основе ГОСТ 15150-69 (ИУС-2-2013), или в соответствии с ГОСТ
РВ 20.39.304-98. Климатические исполнения установлены для
суши, моря и всеклиматические.
Для суши установлены климаты: умеренный (У), умеренно-холодный (УХЛ), тропический (Т), тропический влажный (ТВ), тропический сухой (ТС), общеклиматическое исполнение (О), кроме
районов с очень холодным климатом (до –78°С).
Для моря установлены климаты: умеренно холодный (М), тропический морской (ТМ),
Всеклиматическое исполнение (В) – это исполнение для суши и
моря за исключением районов с очень холодным климатом (до –78°С).
Выбрать климатическое исполнение.
г) Требования к категориям размещения устанавливается в
ГОСТ 15150-69 (ИУС-2-2013). Установлены основные и дополнительные категории размещения.
Основные:
1 – эксплуатация на открытом воздухе;
2 – эксплуатация на открытом воздухе под навесом;
3 – эксплуатация в неотапливаемом помещении;
4 – эксплуатация в отапливаемом помещении;
5 – эксплуатация в помещении с оседанием (конденсацией) влаги
на стенах и потолках.
Дополнительные:
1.1 – хранение и работа в помещении категории 4 и кратковременная работа в условиях категории 1;
2.1 – работа в качестве встроенных элементов изделий категории
1, 1.1 и 2;
3.1 – эксплуатация в нерегулярно отапливаемых помещениях;
4.1 – эксплуатация в помещениях с кондиционированным воздухом;
5.1 – работа в качестве встроенных элементов изделий категории 5.
Корпус изделия должен исключать конденсацию влаги на элементах.
21
Таблица 2.1
Связь между группами условий эксплуатации,
климатическими исполнениями и категориями размещения
ГУЭ1
1
2
3
4
5
6
7
8
Климатические исполнения
У, УХЛ, ТС
ТВ, ТН, М, ОМ, О, В
Т, ТВ
ТС
Т, ТВ, О
У, УХЛ
ТС
Т, ТВ, М, ТМ, ОМ, О, В
Т, ТВ, О
Т, ТВ
У, УХЛ
М, ТМ, ОМ, В
Все исполнения
О, Т, ТВ
М, ТМ, ОМ, В
Категории размещения
2.1, 3, 3.1, 4, 4.1
4
3*, 3.1
1*, 1.1, 2, 3
2.1
1**, 2, 3
1
1.1
1**, 2
3
1
1***, 2***, 2.1, 3
5, 5.1
1
1, 2
ГУЭ2
Легкие
Средние
Жесткие
Особо
жесткие
* – для изделий в оболочках с искусственной вентиляцией;
** – для изделий в оболочках с искусственной или естественной вентиляцией и для изделий в условно-чистой атмосфере.
Выбрать одну из основных категорий и, если необходимо, указать дополнительную категорию.
Для конструкторских решений по защите от внешних воздействий (выбор материалов плат, пропитки, покрытий) вводятся группы условий эксплуатации ГУЭ1 и ГУЭ2.
Выбрать и указать климатическое исполнение и категорию
размещения по табл. 2.1.
Пример: Изделие, в которое входит проектируемый ЭМ, относится к группе климатического исполнения УХЛ и категории размещения 3. …
Варианты условий эксплуатации для автономных проектируемых ЭМ:
1. ЭМ в виде стационарных объектов, работающих в отапливаемых сооружениях.
2. ЭМ в виде стационарных объектов, работающих в неотапливаемых сооружениях или на открытом воздухе;
3. ЭМ, работающие на автодорожном транспорте на ходу;
22
4. ЭМ, работающие во внутренних помещениях речного транспорта на ходу;
5. ЭМ, работающие на подвижных объектах железнодорожного
транспорта на ходу;
6. Портативные ЭМ, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе и не работающие на ходу;
7. Портативные ЭМ, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе и работающие на ходу.
Выделить столбец выбранного подкласса.
Каждой из групп соответствуют требования, приведенные в
табл. 2.2.
Таблица 2.2
Параметры и их значения для групп условий эксплуатации ЭМ
№
1
2
3
4
5
6
7
Факторы и параметры
Пониженная температура (1 степень),
°С
Пониженная температура (2 степень),
°С
Время выдержки, ч
Повышенная температура °С
Время выдержки, ч
Относительная влажность, %
Температура (1 степень), °С,
Температура (2 степень), °С,
Время выдержки, ч
Предельная пониженная температура (1 степ.), °С
Предельная пониженная температура (2 степень), °С
Рабочая пониженная температура
(1 степень), °С
Рабочая пониженная температура
(2 степень), °С
Предельная повышенная температура, °С
Рабочая повышенная температура, °С
Пониженное давление, КПа
Время выдержки, ч
Интенсивность дождя, мм/мин
Время выдержки, ч
Группы условий эксплуатации
ЭМ
1
2
3
4
5
6
7
–
–
–40 –40 –40 –40 –40
–
–
–50 –50 –50 –50 –50
–
–
–
80
25
25
48
–
–
–
93
25
40
72
6
60
6
93
25
40
72
6
60
6
93
25
40
72
6
60
6
93
25
40
72
6
60
6
93
25
40
72
6
60
6
80
25
25
48
–40 –40 –40 –40 –40 –40 –40
–50 –50 –50 –50 –50 –50 –50
5
–10 –25 –10 –25 –10
5
–25 –40 –10 –40 –25 –10
40
50
50
50
50
50
5
40
55 60 60 60 60 60 55
61 61 61 61 61 61 61
6
6
6
6
6
6
6
–
3
3
3
3
3
3
– 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
23
Окончание табл. 2.2
№
8
9
10
11
12
11
14
Факторы и параметры
Группы условий эксплуатации
ЭМ
1
2
3
4
5
6
7
Скорость потока пыли, м/сек
– 10 10 – 10 10 –
Время выдержки, ч
–
1
1
–
1
1
–
Морской туман при 27 °С, г/м3
3
3
3
3
3
3
3
Время выдержки, ч
24 48 48 48 48 48 48
Время выдержки вибрации f=20 Гц
0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
при А=2g, ч
Минимальная частота вибрации, Гц
–
– 10 10 10 10 10
Максимальная частота вибрации, Гц –
– 70 30 70 70 30
Ускорение вибрации, g
–
– 3,8 1,1 3,8 3,8 1,1
Время выдержки, ч
–
– 12 4 12 12 4
Длительность одиночных ударов, мс
–
– 10 10 10 10 –
Число одиночных ударов в мин.
–
– 80 80 80 80 –
Ускорение одиночных ударов, g
–
– 15 15 15 10 –
Общее число одиночных ударов
–
– 60 60 60 60 –
Длительность многократных ударов,
–
– 10 10 10 10 10
мс
Число многократных ударов в мин.
–
– 80 80 80 80 80
Ускорение многократных ударов, g
–
– 15 15 25 10 10
Общее число многократных ударов,
–
– 12 12 12 6
6
тыс.
Высота падения, мм
–
–
–
–
– 750 500
Число падений
–
–
–
–
– 11 11
2.2. Методические указания по разработке
технических требований на модуль
Помимо сформированных ОТТ необходимо установить частные
ТТ к конструкции ЭМ. Частные ТТ характеризуют схемотехническую, конструктивно-технологическую и другую специфику ЭМ в
конструкции изделия. Требования должны быть сгруппированы по
следующим разделам: схемотехнические, конструкторско-технологические, к надежности, к электромагнитной защите, прочие.
2.2.1. Схемотехнические требования к ЭМ
Некоторые схемотехнические требования могут быть указаны
руководителем в ТЗ на проект, например тип процессора, микроконтроллера, типы микросхем и др. В этом случае необходимо в
24
данном разделе привести технические характеристики таких заданных элементов.
Перечень других характеристик ЭМ в схемотехнических требованиях указывается упорядоченно в виде следующих групп:
1. Состав, форма, номинал и допустимые отклонения на входные
и выходные сигналы при заданных входном сопротивлении и сопротивлении нагрузки.
2. Диапазон частот для входных и выходных сигналов.
3. Уровень шумов относительно номинала входного сигнала
4. Требования к срабатыванию сигнализации и защиты по току
и напряжению.
5. Требования к входным и выходным нагрузкам.
6. Требования к питанию, потребляемой мощности и длительности непрерывной работы.
Выбрать и указать схемотехнические требования к ЭМ в виде
численных значений параметров.
В некоторых случаях реализация схемотехнических ТТ на основе перечисленных групп вызывает затруднение, поэтому может
быть применен иной упорядоченный перечень, определяемый специализацией ЭМ.
Пример ТТ для бортовых ЭВМ:
– тип процессора
– система команд
– разрядность (бит)
– тактовая частота (МГц)
– форматы операндов
– быстродействие (тыс. оп/с)
– емкость оперативной памяти (Кбайт)
– емкость постоянной памяти
– емкость внешнего запоминающего устройства на основе БИС
FLASH-памяти
– параметры для программируемых таймеров и др.
2.2.2. Конструкторско-технологические требования к ЭМ
Эти требования рекомендуется выбрать из следующих перечней расчетных показателей, указывая предельно допустимые или
ограничивающие численные значения показателей. Ниже приведены показатели, которые задаются численными значениями в качестве конструкторско-технологических требований. Выражения для
определения этих показателей используются в соответствующих
25
разделах при расчете полученных значений показателей и сравнения их с заданными в этом разделе.
Конструктивные показатели:
1. Сложность устройства С = К1·N + К2·M, где N – число элементов, M – число соединений, К1 + К2 = 1 – весовые коэффициенты.
2. Объем V = VN + VM + VНК, где VN – объем элементов, VM – объем соединений, VНК – объем элементов несущей конструкции.
3. Масса M = MN + MM + MНК, где MN – масса элементов, MM –
масса соединений, MНК – масса элементов несущей конструкции
4. Мощность рассеяния Р изделия
5. Собственная частота F0 = 2ÊÆ / Ì , где КЖ – коэффициент
жесткости конструкции.
6. Коэффициент виброизоляции Г1 = 1/(1–(F/F0)), F – вынужденная частота на границе диапазона частот.
Показатели технологичности:
Обычно задается уровень технологичности по комплексному
показателю – не менее 0,7. При необходимости могут быть дополнительно заданы частные показатели, имеющие отношение к достижению целевой функции конструирования (максимизация
унификации, минимизация материалоемкости и т. п.). Примерный
перечень частных показателей как дополнительные требования по
технологичности:
1. Коэффициент технологичности КТ = Спланов/Среальн.
2. Коэффициент конструктивной преемственности КК = Nзаимств/
(Nобщее – Nкрепж)
3. Коэффициент повторяемости КП = NЭРЭ/NТипЭРЭ
4. Коэффициент нормализации
КН = (Nстанд+Nуниф)/(Nобщее – Nкрепеж)
5. Коэффициент применения материалов
КМ = Nдеталей/Nмарок материала
6. Коэффициент использования материалов
КИ = Мдеталей/Мзаготовок
Выражения для определения частных показателей технологичности используются в разделе анализа и расчета полученных показателей технологичности и сравнения их с заданными в этом разделе.
Указать уровень технологичности по комплексному показателю – не менее 0,7 и, при необходимости, выбрать и указать значение частных показателей технологичности.
Выбрать и указать конструкторско-технологические требования к ЭМ в виде численных значений показателей.
26
2.2.3. Эксплуатационные требования
Выбор устанавливаемых эксплуатационных требований связан
со спецификой использования ЭМ и изделия, в которое он входит.
Для изделий, обслуживаемых оператором, требования, помимо нижеприведенных, могут быть дополнены из ГОСТ 20.39.108.
Требования к простоте управления и обслуживания.
Требования к сигнализации опасных режимов работы.
Требования к наличию аппаратных и программных средств для
профилактического контроля и настройки изделия.
Требования к органам индикации и управления, обеспечивающих безопасную и нормальную работу оператора.
Требования работоспособности при заданных условиях эксплуатации и внешних воздействиях.
Требования обеспечения технического обслуживания и ремонта
(ТО и Р).
Выбрать эксплуатационные требования.
2.2.4. Требования к надежности
Обычно в виде требований по надежности задаются численные
значения показателей безотказности но, в зависимости от функциональных задач проектирования указанных в ТЗ, могут быть заданы
требования долговечности или ремонтопригодности.
В качестве требований могут быть установлены следующие показатели безотказности для проектируемого ЭМ:
1. Наработка на отказ
Задается минимально необходимое численное значение Т0.
В разделе расчета показателей надежности должно быть получено
значение Т0 = 1/λ меньшее, чем указанное здесь в виде требования.
2. Вероятность безотказной работы Р(t). Данный показатель может быть указан для изделий с повышенными требованиями по безотказности с точечной временной оценкой Р(t).
Пример задания данного требования: ЭМ должен иметь показатель вероятности безотказной работы не хуже 0,997 при 1000 ч
наработки.
Численное значение времени наработки рекомендуется выбрать
из следующих рядов значений:
– для технологических установок (час): 8; 40; 80; 160; 190; 270;
380; 720;
– для бортовой аппаратуры ракеты (час): 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5;
3,0; 4,0 или 1,0; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10;
27
– для спутниковой аппаратуры (час): 4; 40; 400; 1000; 2000; 4000;
10000; 50000; 100000;
– для измерительно-вычислительного средства с нерегламентированным режимом использования: 50; 75; 100; 200; 250; 300; 400;
500; 750; 1000.
3. Среднее время восстановления Тв. Данный показатель ремонтопригодности может быть задан для восстанавливаемых изделий с
повышенными требованиями по готовности к использованию, заданными в ТЗ. В этом случае рекомендуется выбрать значение показателя из следующего ряда (в часах): 0,25; 0,5; 0,75; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50.
В некоторых ТЗ на проект руководителем может быть поставлена задача отработки ЭМ на долговечность с высоким значением
технического использования. Для таких проектов необходимо помимо показателя наработки задать требования в виде следующих
показателей:
– коэффициент технического использования Ки = Т0/(Т0+Тв).
Выбрать значение Ки из ряда: 0.80, 0.85, 0.90, 0.95.
– средний срок службы Тс в годах. Обычно задается 5 лет, для
спутниковой аппаратуры не менее 10 лет.
2.2.5. Требования к электропитанию ЭМ
Необходимо выбрать один из основных вариантов осуществления электропитания ЭМ:
– от сети 220 В (±5% или ±10%), 50 Гц;
– от вторичного источника питания.
Номинальные значения напряжения и частоты на входах питания ЭМ, а также на входе его вторичного источника питания, должны соответствовать указанным в ГОСТ 21128, ГОСТ 6697 и стандартах на СЭС по видам техники (например, ГОСТ Р 54073-2010 для
самолетов и вертолетов).
Номинальные значения напряжения на выходе вторичного источника питания должны соответствовать значениям, указанным в
табл. 2.3, а номинальные значения выходных токов – в ГОСТ 18275.
Необходимо указать значение потребляемой ЭМ мощности.
Изоляция электрических цепей аппаратуры, эксплуатируемой
в условиях воздействия внешних факторов в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 20.39.304, должна обеспечивать электрическую
прочность, достаточную для предотвращения пробоя, и электрическое сопротивление, для ограничения шунтирующего действия токов утечки и предотвращения термоэлектрического пробоя.
28
Таблица 2.3
Номинальные значения питающего напряжения ЭМ
Номинальные значения напряжения
постоянного тока, В
Номинальные значения напряжения
переменного тока, В
(1,2); 1,5; 2,0; 2,4; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0; 5,0; 6,0; (6,3); 12,0; (24); 27,0;
(5,2); 6,0; 9,0;
36,0; 40,0; (80); 115; 200; 220;
12,0; 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 36,0; 48,0; 380
60,0; 80,0;
100; 150; 200; 250; 270; 300; 400; 500;
600; 800; последующие значения в кВ
опущены
Значения, приведенные в скобках, применяют только по согласованию с
заказчиком.
Для бортовой самолетной аппаратуры нормальными приняты следующие значения напряжений питания: для постоянного 27В от 24 В
до 29,4 В; для переменного 115 В от 113 В до 118 В частотой 400 ± 8 Гц
Таблица 2.4
Значение сопротивления изоляции электрических цепей аппаратуры
Рабочее напряжение, кВ
постоянного тока амплитудное
или действующее
значение
значение
переменного
переменного тока
тока
До 0,5
Св. 0,5 до 10
включ.
Св. 10
До 0,7
Св. 0,7 до 14
включ.
Св. 14
Сопротивление изоляции, МОм
при нормальных
при повыпри повыклиматических
шенной
шенной
условиях испы- температуре влажности
таний
20
100
5
20
1
2
1000
200
20
Значение сопротивления изоляции электрических цепей аппаратуры должно быть задано в ТЗ и быть не менее значений, приведенных в табл. 2.4.
2.2.6. Требования по обеспечению
электромагнитной совместимости
Требования, которые рекомендуется указать для любого проектируемого ЭМ:
При применении комплектующих элементов, не обладающих
необходимыми параметрами по электромагнитной совместимости, должны быть применены специальные меры защиты: экраны,
фильтры и (или) другие схемотехнические решения.
29
Аппаратура должна нормально функционировать и не создавать помех в условиях совместной работы с аппаратурой систем,
объектов, для которых она предназначена, а также с аппаратурой
другого назначения, которая может быть использована совместно
с данной аппаратурой.
Для обеспечения электромагнитной совместимости на аппаратуру конкретного типа должны быть заданы нормы на технические
характеристики. Значения норм этих характеристик устанавливают в соответствии с действующими нормативными документами, а
при их отсутствии – по согласованию между заказчиком и разработчиком аппаратуры.
2.2.7. Требования по обеспечению помехозащищенности
Данная группа требований указывается на проектируемый ЭМ,
функционирование которого может нарушаться от внешнего электромагнитного воздействия.
Рекомендуется следующая формулировка требования помехозащищенности:
Аппаратура должна нормально функционировать в условиях
организованных преднамеренных и непреднамеренных радиопомех.
Для обеспечения помехозащищенности аппаратуры конкретного типа следует указывать требования по:
– допустимому отношению мощностей помеха/сигнал на входе
приемного устройства;
– подавлению помех по боковым и задним лепесткам диаграмм
направленности антенн, в том числе с использованием методов компенсаций;
– защите от ложных цепей и ловушек с использованием средств
вычислительной техники и дополнительных каналов (вспомогательной аппаратуры) обработки информации.
Значения отношения мощностей помеха/сигнал устанавливают
по согласованию между заказчиком и разработчиком аппаратуры.
2.2.8. Требования по обеспечению радио-, радиотехнической,
инфракрасной, оптической и гидроакустической маскировки
Для обеспечения радио-, радиотехнической, инфракрасной, оптической и гидроакустической маскировки аппаратуры конкретного типа в зависимости от ее вида задают:
– уровни затухания сигнала в эквивалентах антенно-фидерных
устройств, поглощающих насадках и фильтрах;
30
– уровни излучения в каналах приемных устройств;
– уровни акустических шумов;
– время настройки и проверки аппаратуры с излучением в открытое пространство;
– уровень демаскирующего инфракрасного излучения.
Демаскирующие сигналы не должны иметь уровень мощности,
достаточной для обнаружения и регистрации их за пределами контролируемой зоны.
Указать допустимый уровень.
Антенные устройства не должны иметь боковые излучения, превышающие нормы на параметры антенно-фидерных устройств.
Указать допустимые нормы на параметры.
Допустимые уровни излучений встроенных в аппаратуру и придаваемых к аппаратуре тренировочных средств.
Указать допустимые уровни излучения встроенных средств.
При необходимости в ТЗ на ЭМ конкретного типа допускается
задавать другие специальные требования по обеспечению радио-,
радиотехнической, инфракрасной оптической и гидроакустической маскировки, электромагнитной совместимости и помехозащищенности.
2.2.9. Требования по обеспечению контроля
и диагностирования ЭМ
По данной группе требований необходимо указать уровень контрольно-диагностических операций, подлежащих выполнению в
процессе эксплуатации или ремонта, а также способ выполнения
операций (с помощью встроенных в изделие средств контроля и диагностики или с применением внешних контрольно-диагностирующих средств.
Рекомендуется установить следующие требования по обеспечению контроля и диагностирования:
Конструктивно законченные функциональные узлы (блоки) и
типовые элементы аппаратуры должны обеспечивать возможность автономной проверки правильности их функционирования,
работоспособности и исправности в условиях ремонта, а также
иметь в эксплуатационной документации критерии правильности функционирования, работоспособности, исправности, которые используются при составлении «Схемы алгоритма диагностирования» или «Перечня возможных неисправностей» (форма 2
ГОСТ 2.601-2013).
31
Конструкция и компоновка аппаратуры должны обеспечивать:
– надежное и безошибочное подсоединение (включение) систем
измерений и контроля за требуемое время;
– безопасное соединение устройств сопряжения аппаратуры
со средствами измерений и контроля, исключающее возможность
их неправильного соединения и взаимного влияния аппаратуры и
средств измерений и контроля;
– доступ к измерительным преобразователям и другим встроенным СИ для их проверки без демонтажа в эксплуатационных
условиях, а также к элементам, обеспечивающим настройку и регулировку встроенных средств контроля;
– защиту цепей, выведенных на контрольные разъемы, от возможных неисправностей во внешних СИ и соединительных кабелях, а также влияний внешней среды.
2.2.10. Требования к транспортированию
Пример записи требований к транспортированию:
Изделие должно сохранять свою работоспособность после транспортирования при многократных ударах с ускорением 10–15 g и
длительностью ударов 5–10 мс, при температуре от –50 до +50 °С,
относительной влажности 95% при температуре 30 °С и атмосферном давлении 84 –109,7 кПа.
Для каждого проекта значения уточняются по выбранному ранее столбцу табл. 2.2.
2.2.11. Требования к хранению
Требование рекомендуется задавать для изделий с длительным
сроком хранения.
Пример записи требований к хранению.
Изделие должно храниться в складских помещениях при температуре окружающей среды 5 ÷ 35 °С при относительной влажности 85%. Срок хранения не более одного года.
2.2.12. Требования к составным частям аппаратуры
Данная группа требований назначается на базовые конструкции
и монтажные основания. Аппаратуру рекомендуется создавать в
виде одноблочных или многоблочных конструкций на основе системы ЭМ различных уровней разукрупнения по функционально-конструктивной сложности.
32
При разработке конструкции основных составных частей аппаратуры должно быть применено минимальное число разновидностей базовых конструкций. Уровни разукрупнения БНК аппаратуры должны соответствовать ГОСТ Р 51623-2000.
Система построения и координационные размеры БНК1, БНК2
и БНКЗ конструктивных уровней, обеспечивающие их конструктивную совместимость, взаимозаменяемость и применяемость автоматизированных методов конструирования и производства БНК,
должны соответствовать ГОСТ Р 51623-2000.
Требования к ЭМ, предназначенным для создания аппаратуры
на основе БНК, должны соответствовать ГОСТ Р 51623-2000.
Печатные платы по своим габаритно-присоединительным размерам должны соответствовать ГОСТ 53429-2009, а для аппаратуры в
модульном исполнении – ГОСТ Р 52070-2003.
Технические требования, типы, основные размеры, варианты
конструктивного исполнения и условия эксплуатации БНК1, БНК2,
БНК3 должны соответствовать ГОСТ Р 51623-2000.
Основной интерфейс для сопряжения цифровых, цифро-аналоговых и аналого-цифровых ЭМ должен выполняться в соответствии
с ГОСТ Р 51623-2000.
Форма построения и изложения технических условий на ЭМ
должна соответствовать ГОСТ Р 51623-2000.
В технически обоснованных случаях формы несущих конструкций ячеек, блоков могут отличаться от формы БНК, используемых
при модульном исполнении аппаратуры. Варианты конструкции
должны быть выбраны, исходя из анализа основных определяющих
факторов для разрабатываемой аппаратуры.
Блоки, в которых применяют изделия микроэлектроники, выполняют в бескорпусном или каркасном конструктивном варианте.
Конструктивный вариант выбирают с учетом условий эксплуатации аппаратуры.
Составные части аппаратуры, требующие защиты от вибрации
и ударов, в необходимых случаях должны быть амортизированы.
Амортизация должна обеспечивать защиту аппаратуры от механических воздействий по всем направлениям, в которых они могут
действовать в эксплуатационных условиях.
Конструкция составных частей аппаратуры должна обеспечивать полную их взаимозаменяемость в процессе устранения неисправностей, исключая (или минимизируя) при этом дополнительную подстройку аппаратуры и замену других элементов при смене
отказавших.
33
Далее необходимо установить размеры монтажного основания,
т. е. печатной платы (ПП),
соответствующие выбранной системе БНК (см. подраздел 3.2),
указать количество сторон установки компонентов, количество сторон для прокладки печатного монтажа или число слоев для многослойной ПП (МПП).
Если размеры ПП предполагаются нестандартными, необходимо
указать:
Размеры ПП, количество сторон установки компонентов, количество сторон для прокладки печатного монтажа определяются в
процессе разработки ЭМ с соблюдением заданных выше конструкторско-технологических требований.
В последующих разделах пособия даны указания по последовательности и содержанию решения задач конструкторско-технологического проектирования электронного модуля.
Для решения всего перечня задач конструирования модуля в КП
по конструированию и в ВКРБ необходимо уже на этапе анализа ТЗ
и формирования ТТ иметь определенные исходные данные, предварительные решения, которые реально формируются на этапе технического предложения.
На данном этапе необходимо иметь ответы на приведенные ниже вопросы,
что будет соответствовать готовности к решению последующих задач
конструирования и технологического проектирования
1) для какого уровня модульности конструкции проектируется ПП:
– для микросборки – 0-й уровень,
– для ячейки – 1-й,
– для объединительной платы (кросс-плата) – 2-й уровень модульности
2) унифицирована конструкция модуля (ПП) или оригинальная;
3) какие требования предъявляются к аппаратуре данной группы;
4) какие дестабилизирующие факторы влияют на аппаратуру данной
группы, какие деградационные процессы в ПП они вызывают, и какие
необходимо применить способы защиты ПП от этого влияния;
5) каким образом степень конструкторской сложности модуля влияет на
конструкцию ПП и технологию ее изготовления;
6) какие параметры модуля влияют на конструкцию ПП (быстродействие, рассеиваемая мощность, частота и др.);
7) какие ЭРИ предположительно будут использованы в данном модуле
(корпусные со штыревыми или планарными выводами, бескорпусные,
ПМК);
8) какое конструктивно-технологическое решение и компоновочная
структура модуля рациональны при монтаже;
9) какой тип конструкции ПП необходим для данного модуля;
34
На данном этапе необходимо иметь ответы на приведенные ниже вопросы,
что будет соответствовать готовности к решению последующих задач
конструирования и технологического проектирования
10) какую форму должны иметь контактные площадки ПП;
11) чему предварительно должен быть равен шаг координатной сетки;
12) какие ЭРИ схемы рассеивают значительную мощность;
13) какой класс точности ПП рационален;
14) какой метод изготовления ПП рационален;
15) какие должны быть параметры у печатных проводников;
16) какой материал рационально выбрать для основания ПП;
17) какими должны быть размерные характеристики ПП;
18) чему равны основные параметры проводящего рисунка ПП.
К началу проектирования ПП и конструкции ЭМ на её основе, на все 18
вопросов должны быть определенные ответы
2.3. Выбор компоновочного решения модуля
в конструкции изделия
На основе сформированных ТТ необходимо решить очень важную задачу,
в основном определяющую эффективность функционирования проектируемого модуля и изделия в целом. Задача коротко называется «Формирование облика конструкции», а её цель – разработка проекта пространственного компоновочного решения конструкции изделия и размещение
в этом пространстве всех основных элементов конструкции. Другими
словами, необходимо определить внешнюю форму конструкции, соотношение размеров сторон (соответствующее размерам модуля и верхнего
конструктивного уровня), выбрать вариант обеспечения жесткости
конструкции, решить задачу необходимости кожуха и его функций, выбрать вариант пространственного расположения модуля(ей) в объеме
изделия и обеспечения доступа для размещения/извлечения модуля
В результате решения задачи должен быть найден оптимальный
вариант компоновочного решения, обеспечивающий:
– технологичность (производственную и эксплуатационную);
– эффективное выполнение функций защиты от внешних воздействующих факторов;
– нормальный тепловой режим с минимальными издержками по
его обеспечению;
– высокую мобильность.
Как видим, задача относится к классу задач многокритериальной оптимизации и требует, при нестрогом решении, проведения
предварительного ранжирования целевых задач оптимизации, т. е.
наделение искомых решений частных задач оптимизации коэффи35
циентами значимости для данного проекта. Максимальное удовлетворение основной целевой задачи конструирования при неполном
удовлетворении мене значимых задач означает нахождение рационального компромисса при компоновочном решении.
Алгоритм логического анализа ТЗ при формировании облика
конструкции изделия и компоновочного решения:
Этапы анализа
Содержание анализируемых данных и варианты
принятия решений по ГОСТ РВ 20.39.304-98
Основная цель разработки
Конструктивный
уровень
Объект установки.
Класс объекта,
категория конструкции, группа
исполнения
Создание нового изделия, модернизация существующего, создание конструкции иного исполнения
Модуль, автономная конструкция, блок, шкаф,
стойка, пульт
Класс объектов наземный (10 категорий ВВТ и 25
групп исполнений), морской (7 категорий ВВТ и 23
группы исполнений), бортовой авиационный (5 категорий ВВТ и 21 группа исполнений). бортовой ракетный (9 категорий ВВТ и 16 групп исполнений),
бортовой космической техники (4 категории ВВТ и
5 групп исполнений). Класс 6 – аппаратура боеприпасов артиллерии.
Группы исполнений – специализированные объекты ВВТ
Обслуживаемость,
Обслуживаемое – не обслуживаемое.
режим использова- Режим непрерывный, периодический. однократния
ный, общего применения (смешанный)
Основные воздейКлиматические, механические, электромагнитствующие факторы ные. Уровни воздействующих факторов
Специальные треУровень массогабаритных требований.
бования, влияющие Специальные среды. Критичное изделие.
на компоновочное
Применение определенной системы БНК.
решение
Эргономические требования
Предпочтительный Функционально-узловой, функционально-модульметод конструироный, моноблочный, комбинированный
вания
Решение, принимаемое на последнем этапе представленной схемы,
требует некоторых пояснений в силу его большой значимости для проекта в целом. Перед принятием решения о методе конструирования
необходимо выполнить процедуру распределения элементов принципиальной схемы по конструктивным элементам, поясняемую рис. 2.2.
Для справки: Напомним содержание решения задачи выбора метода конструирования. Пусть исходными условиями решения задачи будут:
36
Распределение элементов принципиальной
электрической схемы изделия
по конструктивным элементам
Компоненты и
межкомпонентные
связи
Входные
и выходные
соединители
Распределение
по модулям по
принципу
функциональной
законченности
Планировка
задней стенки
по условиям
технологичности
Элементы
коммутации
и индикации
Проводной монтаж
межузловых
соединений
Размещение
на лицевой панели
по условиям
эргономики
Размещение
кросс-платы
и жгутовых
соединений
Рис. 2.2. Распределение элементов принципиальной схемы
по конструктивным элементам
– число компонентов и схемных принципиальных узлов относительно невелико и её нецелесообразно разбивать на автономные
функциональные части;
– в числе компонентов монтажа на ПП предполагаются крупногабаритные изделия (трансформаторы, дроссели, конденсаторы,
мощные транзисторы, радиаторы);
– имеются жесткие требования на минимизацию размерных параметров или внутренний объем имеет малые размеры;
– предполагаемый объем производства – изготовление опытных
образцов или мелкая серия.
В этом случае рекомендуется применение моноблочного метода
конструирования. По методу моноблочного конструирования электрическая схема не разбивается на функциональные узлы, а реализуется в основном на одном монтажном основании.
Преимущества метода: низкие затраты на конструирование,
минимальные габариты конструкции, сравнительно малое количество технологических операций и необходимого технологического
оснащения процесса изготовления.
Недостатки: относительно высокие трудовые и временные затраты на операции сборки, настройки, контроля и испытаний, низкая ремонтопригодность.
При модульном методе конструирования вся схема аппаратуры
изделия разбивается на функционально законченные составные
части – функциональные узлы. Если разбиение на функционально
законченные части осуществляется с последующим использованием готовых модулей из каталогов фирм, то метод носит название
функционально-модульного или блочно-модульного. Если же после
37
деления схемы на законченные функциональные части разрабатываются оригинальные конструктивные модули, то метод называют
функционально-узловым. По функционально-узловому методу получают функционально и конструктивно законченные модули, соответствующие какой-либо системе БНК или стандарту фирмы.
Разбиение схемы аппаратуры производится из соображений
функциональной, конструктивной, метрологической и электрической завершенности.
Преимущества: возможность сравнительно простого внесения
схемных и конструктивных изменений в изделие, путем замены
модуля; возможность создания линейки изделий с различным набором функций или различного исполнения под требования заказчика, путем изменения комплекта модулей; упрощение ремонта
аппаратуры и обслуживания при эксплуатации; высокий уровень
автоматизации при серийном изготовлении, позволяет снизить трудоемкость изготовления.
Недостатки модульных методов: значительно большие массогабаритные параметры по сравнению с моноблочным вариантом
(т. е. низкие значения ресурсов масс и объемов в конструкции); многие сигнальные связи имеют большую длину, чем в моноблочном
варианте; необходимость применения более высокие показатели затрат на трудовые, материальные, энергетические ресурсы, особенно
при небольших объемах производства.
При выборе варианта модульного метода конструирования необходимо решить следующие задачи:
– выбрать типоразмер модулей (рекомендуется один типоразмер
или не более двух);
– определить число модулей с функциональной и конструктивной законченностью;
– выявить необходимость реализации части схемы в виде микросборки;
– определить место расположения кросс-платы (объединительной панели) с способ установки модулей (параллельно или перпендикулярно лицевой наели, с установкой сверху, сбоку, со стороны
лицевой панели);
– определить необходимость в направляющих для установки модулей и способ закрепления направляющих;
– выбрать способ крепления модулей после установки в конструкции.
Типовой вариант компоновочного решения представлен на
рис. 2.3. Возможные варианты компоновочных решений конструкций приборов и блоков рассмотрены в подразделе 3.2
38
4
3
5
2
1
Рис. 2.3. Типовой вариант компоновочного решения:
1 – каркас конструкции прибора, блока; 2 – сторона установки
лицевой панели; 3 – кросс-плата; 4 – соединители модулей
с кросс-платой; 5 – модуль
В результате решения всех рассмотренных выше задач создается
облик конструкции.
С позиций документирования облик конструкции имеет текстовое описание и графическое представление. Для демонстрации
внешних форм, дизайна и цветового решения выполняется концептуальная модель (например, компьютерная 3D-модель).
Текстовое описание облика конструкции обычно содержит следующие сведения:
– описание формы (со ссылкой на эскиз или компьютерную иллюстрацию модели)и размерная характеристика;
– конструктивный уровень, вид БНК (автономная законченная
конструкция или модуль, блок, входящий в определенный конструктивный уровень);
– сведения о внутреннем компоновочном решении;
– характеристика органов управления (для автономного варианта);
– характеристика эксплуатационной технологичности (доступность, принцип замены) – для обслуживаемой аппаратуры;
– общая характеристика производственной технологичности
(сведения об унификации, стандартизации, взаимозаменяемости);
– сведения об основных конструкционных материалах;
– сведения об элементной базе;
– описание обеспечения защиты от ВВФ и обеспечение теплового
режима;
– решения и мероприятия по обеспечению заданного уровня
39
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ
НА ПРОЕКТ МОДУЛЯ
3.1. Анализ принципиальной электрической схемы
и выбор элементной базы
3.1.1. Анализ принципиальной электрической схемы
Анализ электрической принципиальной схемы модуля проводится для уяснения возможностей её конструктивного исполнения
в виде комплекта ЭРИ, соединенных печатными проводниками, с
учетом установленных ограничений (тепловых, электрических,
магнитных и электромагнитных взаимовлияний ЭРИ).
Как правило, заданием на проектирование в ВКРБ предусматривается разработка принципиальной схемы электрической всего проектируемого устройства, или большей ее части. В то время как на
конструкторскую проработку предлагается одна электронная плата
печатного монтажа (печатный узел). При этом важно, чтобы на конструкторскую проработку была вынесена часть схемы, имеющая
функциональную завершенность, и при этом не слишком сложная.
В задании на КП необходимо всю электрическую схему реализовать в виде конструкторской разработки модуля. Ограничения на
выбор схемы для задания те же, что и для ВКРБ.
При анализе электрической принципиальной схемы необходимо
определить:
– тип функционального узла (цифровой, аналоговый, аналогоцифровой, выполняемые функции), а также принцип работы;
– параметры, влияющие и усложняющие компоновку ЭРИ, конструкцию узла и ПП, в частности, диапазон рабочих частот, быстродействие, большая рассеиваемая мощность, коэффициент усиления, ширина полосы пропускания, высокая чувствительность,
величины действующих напряжений и токов;
– типы электрических цепей (цепи входа и выхода сигналов,
шины «земля» и «питание», сигнальные цепи, цепи импульсных и
высокочастотных сигналов);
– наличие гальванически развязанных от корпуса шин общего
провода;
– путь распространения полезного сигнала;
– теплонапряженные ЭРИ;
– ЭРИ, чувствительные к внешним электрическим, тепловым и
другим воздействиям, в особенности к емкостным и индуктивным
помехам;
40
– пути возможных кондуктивных, индуктивных и емкостных
паразитных связей, а также паразитных связей и наводок за счет
гальванической связи элементов схемы;
– допустимые уровни напряжений и токов сигнала помехи на
входах проектируемого узла;
– напряжение и силу тока источников электропитания;
– уровни логических нулей и единиц в цифровых устройствах.
По результатам анализа электрической принципиальной схемы
делаются выводы.
3.1.2. Анализ и выбор элементной базы
При анализе элементной базы фактически выполняется перевод графического изображения каждого элемента электрической
схемы в конкретный компонент ЭРИ, подлежащий последующему
закреплению за определенной площадкой на монтажном основании
в виде ПП. Исходя из такого представления, необходимо проанализировать соответствие выбираемых компонентов условиям эксплуатации модуля, установленными в ТТ, обеспечение функциональных
требований и совместимость с материалом ПП и технологией будущего монтажа.
Совокупность задач, подлежащих решению на этом ответственном этапе разработки модуля, отражена на рис. 3.1.
Серии микросхем и типы ЭРИ,
удовлетворяющие требованиям
функционального назначения
Климатические параметры
Нагрузка
Выбор типа конструктивного
исполнения микросхем и ЭРИ
(тип корпуса, выводов)
Технологический анализ
выбранных корпусов
Радиационная устойчивость
Вид монтажа
Совместимость
с материалом МО
вид выводов
шаг выводов
способ установки на МО
допустимое кратковременное воздействие
температуры
по ТКЛР
по теплопроводности
Рис. 3.1. К выбору конструктивного исполнения элементной базы
41
При выборе элементной базы, помимо условий эксплуатации,
анализируются требования, установленные в ТЗ на характеристики модуля, основными из которых является потребляемая мощность, массогабаритные показатели, стоимость, при условии выполнения устройством заданных функциональных требований. Можно
считать, что схема устройства оптимально спроектирована на выбранной базе, если при выполнении заданных функциональных
требований она будет реализована с минимальными мощностными
затратами и стоимостью.
Основными параметрами при выборе элементной базы являются:
– быстродействие;
– потребляемая мощность;
– помехоустойчивость;
– способ монтажа;
– стоимость.
В современных ЭС широко применяются специальные микроэлектронные изделия – микросборки. Микросборкой (МСБ) называют микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию и, состоящее из плёночных элементов, навесных компонентов
и (или) интегральных микросхем в различных сочетаниях. Микросборки разрабатывают для конкретных ЭС с целью улучшения показателей её комплексной микроминиатюризации и параметров
технологичности. Необходимо определить целесообразность реализации части электрической схемы в виде МСБ и выделить эту часть
схемы для последующего проектирования с использованием указаний, приведенных в подразделе 4.4. В этом случае следует предусмотреть установку на ПП такого компонента для соединения его с
другими компонентами модуля.
Для справки предлагается следующая последовательность анализа корпусов элементной базы для решения задачи выбора:
Известны два основных варианта конструкций узлов на ПП:
– с использованием монтажных отверстий на ПП для установки
компонентов, имеющих выводы (традиционный монтаж),
– с установкой компонентов на поверхности ПП без применения
монтажных отверстий (поверхностный монтаж).
На практике встречается несколько различных вариаций конструкций узлов, среди которых можно выделить характерные
группы:
1. Тип I – на двух сторонах платы размещаются только поверхностно-монтируемые компоненты, тип пайки на обеих сторонах –
оплавление дозированно нанесенной припойной пасты;
42
2. Тип II – с использованием на лицевой стороне поверхностномонтируемых и выводных, устанавливаемых в отверстия, на обратной стороне размещаются только пассивные чип-компоненты,
обратная сторона паяется волной припоя;
3. Тип III – на лицевой стороне только выводные компоненты, на
обратной – только пассивные чип-компоненты, вся плата паяется
волной припоя.
В зависимости от конструкции корпуса компонента и формы
выводов можно выделить три основных группы компонентов:
1. Поверхностно-монтируемые компоненты (surface mount
component – SMC или surface mount device – SMD). К этой группе относятся пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, индуктивности) в корпусах, не имеющих выводов (0805, 0603, MELF), ИМ
и другие полупроводниковые приборы в базовых технологических
корпусах SO, PLCC, OFP, BGA, TAB, flip-chip, COB, DCA, а также
компоненты, аналогичные по исполнению.
2. Выводные компоненты (Pin Through Hole – PTH или Through
Hole Assembly – THA). Группа включает традиционные пассивные
и активные компоненты с осевыми (аксиальными) и радиальными
выводами, а также интегральные схемы в корпусах типа DIP (Dual
in-line Package).
3. Нестандартные компоненты (Odd Form Component – OFC).
К этой группе относятся выводные компоненты, не вошедшие во
2 группу, и включающая в себя соединители, разъемы, трансформаторы, колодки, держатели, экраны и т. д. Группа является самой
динамичной, так как усилиями производителей ряд нестандартных компонентов либо становятся поверхностно-монтируемыми,
либо переходят в категорию стандартных аксиально-радиальных.
Пассивные компоненты для поверхностного монтажа изготавливаются в двух модификациях: в виде цилиндра (тип MELF –
Metal Electrode Face bonding) и чипа (параллелепипеда).
Внешний вид чип-резистора для поверхностного монтажа приведен на рисунке. Его конструкция представляет собой прямоугольный параллелепипед с металлизированными боковыми поверхно43
стями, которые играют роль внешних выводов и используются для
пайки. На поверхность керамической подложки наносится методами толстопленочной технологии резистивная пленка, которая и выполняет функции резистора.
Стандартное обозначение пассивных чип-компонентов состоит
из 4 цифр, несущих информацию о размере компонента, например:
0402 – длина компонента 4 миллидюйма, ширина 2 миллидюйма. Для большинства пассивных компонентов принята дюймовая
система обозначения их корпусов. Общемировое потребление чипкомпонентов быстро растет. Основная тенденция – уменьшение размеров, однако прогресс в этом направлении постепенно замедляется
из-за увеличения стоимости компонента с уменьшением его размера, а также из-за потери коэффициента воспроизводимости многих
сборочных систем при переходе, к примеру, от чипов 0402 к 0201.
Керамические чип-конденсаторы представляют собой структуру из чередующихся диэлектрических слоев керамики и металлических пленок, замыкающихся на боковые выводы-электроды.
Внешне они мало отличается от чип-резисторов. Из-за многослойной структуры керамические конденсаторы восприимчивы к тепловому удару, поэтому скорость предварительного нагрева при
пайке не должна превышать 2 °С/сек, а разница температур между
конденсатором и ванной с расплавленным припоем не должна превышать 100 °С.
Примерно в таком же виде изготавливаются и другие компоненты: индуктивности, танталовые конденсаторы, а также некоторые
типы диодов. Большое разнообразие видов и номиналов компонентов
при небольшом различии конструкций их корпусов имеет важнейшее значение, поскольку позволяет использовать унифицированное
оборудование для установки компонентов на поверхность ПП.
Интегральные компоненты. Значительно большее разнообразие
конструкций корпусов наблюдается у микросхем. Можно выделить
4 типа корпусов:
1. С вертикальными выводами, расположенными перпендикулярно плоскости корпуса ИМ (DIP, PGA).
44
2. С плоскими выводами, выходящими параллельно корпусу ИМ
(Flat Pack – SO, PLCC, QFP, TAB).
3. Безвыводные корпуса (металлизация контактных площадок
на боковых стенках корпуса – LCCC).
4. С шариковыми выводами на нижней плоскости корпуса
(BGA – Ball Grid Array, flip-chip).
Конструкция корпусов ИМ первой группы характерна для традиционного монтажа, поскольку требует наличия на плате установочных отверстий, в которые микросхема запаивается, или так
называемых «кроваток» – установочных панелей, в которые микросхема вставляется без пайки.
Корпуса DIP изготавливаются с шагом выводов 2,5 мм, количество выводов от 16 до 64, масса от 1 до 12 г. Корпуса PGA применяются для микропроцессоров и ИМ высокой степени интеграции. Как
правило, они весьма дороги и устанавливаются в «кроватки» (socket).
Шаг между выводами не менее 2,5 мм, количество выводов от 68 до
387. На корпусе могут располагаться пассивные чип-компоненты для
развязки электрических цепей. Корпуса PGA изготавливаются из
керамики или пластмассы и используются, как правило, с принудительным охлаждением (вентилятор на верхней крышке). При большом количестве выводов микросхемы имеют существенные массо-габаритные показатели (масса до 84 г, размеры до 66х66 мм).
Вторая группа корпусов – самая распространенная, имеет много
подвидов. Отметим две разновидности группы.
1. Собственно FP – прямоугольная или квадратная плоская упаковка (QFP). Выводы расположены с двух или четырех сторон, количество выводов – от 6 до 304, шаг выводов – от 1,27 мм до 0,25 мм,
габариты корпуса на плате (длина и ширина) – от 5×5 мм (32 вывода
при шаге 0,5 мм) до 40×40 мм (304 вывода, шаг 0,5 мм).
Для QFP процесс нанесения припойных паст методами трафаретной печати на контактные площадки ПП остается самым критическим процессом, вызывающим снижение коэффициентов воспроизводимости сборочной системы. Это приводит к усложнению отно45
сительно простых автоматических станков для трафаретной печати, поскольку в таких автоматах не обойтись без автоматического
оптического контроля количества и качества нанесения припойной
пасты. Особое внимание для этих корпусов уделяется аккуратному
обращению при формовке его выводов, тестировании и транспортировке на сборку: для шагов выводов 0,635 мм и менее толщина выводов небольшая и они легко деформируются.
2. TAB (Tape Automated Bonding, или ТСР – Tape Carrier Package) –
в технологии TAB кремниевые кристаллы крепятся к полимерной
ленте, на которую нанесены металлические пленочные проводники,
формирующие внутренние соединения выводов кристалла. Присоединение выводов чипа к сборке следующего уровня (печатной плате)
достигается при помощи внешних выводов полимерной ленты. Для
соединения внешних выводов TAB с подложкой обычно используются методы контактной пайки, пайки горячим газом или лазерной микросварки. Сборка очень компактна, высота не превышает 0,75 мм.
320-выводной корпус с шагом выводов 0,25 мм весит не более 0,5 г и
имеет габариты 24×24 мм. Для сравнения: 296-выводной пластиковый QFP корпус весит 9,45 г. Технология TAB освоена ограниченным
кругом ведущих технологических фирм мира.
Третий тип корпусов – LCCC (безвыводные керамические или
пластиковые кристаллоносители). Выполняется корпус из пластика или керамики. Количество выводов – от 5 до 84. Шаг выводов
от 1,27 мм до 0,5 мм. Отсутствие выводов позволяет увеличить
плотность компоновки узлов. Несколько более затруднен контроль
паяных соединений корпуса с контактными площадками ПП, поскольку часть паяного соединения находится под корпусом микросхемы. Кроме того, для корпусов больших размеров актуальными
становятся дефекты паяных соединений, вызванные усталостным
разрушением металла припоя из-за термоциклирования в процессе
эксплуатации изделия.
46
Четвертый тип корпусов для ИМ – компоненты BGA (Ball Grid
Array – шариковые выводы с матричным расположением) и технология CSP (Chip-Scale Packages), флип-чип (flip chip). Отличительной чертой корпусов является наличие контактов на нижней
плоскости корпуса в виде шариковых выводов. Такая конструкция
корпуса позволила увеличить шаг выводов, и для большинства корпусов он составляет 1,0 или 1,27 мм, что упрощает разводку проводников на ПП. Количество выводов корпуса от 36 до 2401, при этом
габариты от 7×7 до 50×50 мм. Высота корпуса не превышает 3,5 мм.
Кроме того, шариковые выводы на основе SnPb сплава дали удивительное послабление технологам при выполнении операций установки корпуса на плату: неточность попадания выводов на контактную площадку ПП может составлять до 50%! Все дело в том, что при
оплавлении припойной пасты на контактных площадках во время
пайки за счет сил поверхностного натяжения расплавленного припоя происходит самоцентрирование корпуса микросхемы.
Недостатком корпусов типа BGA является затрудненный контроль операции пайки и ремонт узлов. Для контроля соединений
BGA в узле используются чаще всего рентгеновское оборудование.
В последние годы инфраструктура BGA развивалась стремительно, и сейчас известно много видов этого типоразмера, включая
пластиковые, керамические, металлические, и другие, а также
микро-BGA, напоминающие собой открытые кристаллы. BGA
предпочтительнее там, где количество каналов ввода/вывода ИС
превышает 256.
47
CSP обычно определяется как компонент, размером не более чем
на 20 % превышающий размер самого кристалла. Первоочередными областями применения этих компонентов являются микросхемы памяти (особенно флэш), аналого-цифровые преобразователи,
процессоры цифровой обработки сигнала, а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры.
Технология флип-чип представляет собой Si-кристалл, непосредственно устанавливаемый на коммутационную подложку узла (например, ПП) лицевой стороной вниз, на которой выполнены внешние контакты в виде припойных шариков из более тугоплавкого
сплава, чем SnPb. Из-за того, что выводы формируются на кремниевом кристалле микросхемы, шаг выводов является очень малым и
составляет 0,152 мм, что приводит к усложнению ПП. Преимущества технологии:
– экономия места на ПП;
– малые габариты и вес узла с такими компонентами;
– снижение стоимости материалов (у кристалла нет корпуса);
– сокращение длины электрических соединений, что обеспечивает лучшие электрические параметры;
– меньшее количество соединений, что сокращает количество потенциальных точек отказа и обеспечивает более эффективный отвод тепла.
Технология популярна в последние годы, но имеет и свои недостатки:
– дороговизна технологии формирования шариковых выводов у
кристалла;
– чрезвычайно плотная разводка платы под посадочное место
для флип-чипа, что приводит к повышению расходов на изготовление платы;
– больший объем работы технологов по оптимальному выбору
флюсующих веществ и адгезивов в зависимости от вида флип-чипа,
подложки и процесса;
– трудности контроля качества в технологии флип-чипов, а также ремонта плат с их применением.
Рассмотрим примеры выбора типов компонентов для различных
электронных модулей.
48
Пример 1.
Для выбора конкретного типа ЭРИ необходимо учесть группу конструктивных, технологических и эксплуатационных требований:
– обеспечение заданных климатических условий эксплуатации;
– обеспечение заданных габаритов и массы;
– обеспечение заданных точностных характеристик выходных
параметров модулей изделия;
– обеспечение заданных характеристик надежности;
– обеспечение взаимозаменяемости и ремонтопригодности;
– обеспечение технологичности конструкции;
– обеспечение конкурентопригодности и минимальной себестоимости изготовления изделия.
В данном проекте входной усилитель будет выполняться в виде
тонкопленочной микросборки.
Технологию изготовления микросборки выбираем тонкопленочную. Основными достоинствами данной технологии являются:
– высокая надежность конструкции
– малые размеры
– малая масса изделия
– сравнительно невысокая стоимость
– высокая применимость технологии
Для значительного упрощения сборки и проектирования ПП в
схеме применяется ряд стандартных микросхем 561, 155, 533 серий.
В качестве конденсаторов выбираем керамические, которые обладают следующими достоинствами:
– возможность реализации широкой шкалы ёмкостей от долей
пикофарады до единиц и десятков микрофарад;
– возможность реализации заданного температурного коэффициента ёмкости (ТКЕ);
– высокая устойчивость к воздействию внешних факторов (температура, влажность воздуха и т. п.) и высокая надёжность;
– возможность использования керамических кристаллов совместно с микросхемами или в составе микросхем;
– простота технологии, делающая керамические конденсаторы
массовых серий самыми дешёвыми.
Керамические неполярные конденсаторы серии К10-17 – монолитные, выпускаются в различных конструктивных вариантах; покрыты тиксопропным эпоксидным компаундом, в эпоксидном корпусе со специальным контактным выступом или в виде кристалла
для применения в микросхемах, величина ёмкости которых может
достигать 6,8мкФ. К10-17 – это высокочастотные конденсаторы, ко49
торые используются в резонансных контурах и цепях, где требуются малые потери и высокая стабильность ёмкости. В качестве полярных конденсаторов выбираем танталовые серии К53-1А.
Тип резисторов выбираем С2-23, которые обладают следующими
достоинствами:
– рассеивание относительно большой мощности при небольших
размерах;
– малый уровень шумов и положительный температурный коэффициент.
– широкий диапазон сопротивлений от 1Ом до 10Мом;
– низкая собственная индуктивность и ёмкость;
– способны работать на частотах до сотен мегагерц.
В качестве термочувствительного элемента применим терморезистор типа МТТ – 4 номиналом в 10 кОм.
Диоды выбираем в соответствии с напряжением и током, протекающим через них, наиболее предпочтительны кремниевые типа
КД521А. А для источника питания применим диоды Д814Д.
Пример 2.
1. На основе предварительного анализа принято решение разработать устройство на микроконтроллере
ATMEGA8 (рис. 1), так как он обладает высокой производительностью, низким энергопотреблением, а также имеет лучшее соотношение цена – качество.
Рис. 1. Внешний вид
Микроконтроллер ATMEGA8 имеет 28 выATMEGA8
водов, ее корпус называется PDIP28.
Отличительные особенности:
8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с
малым потреблением.
Таблица 1
Технические характеристики ATMEGA8
Ядро
Разрядность
Тактовая частота, Мгц
Объем ROM-памяти
Объем RAM-памяти
Напряжение питания, В
Температурный диапазон, С
Рабочая частота, МГц
Габаритные размеры, мм
50
Avr
8
16
8k
1k
4,5–5,5
–40–85
0–16
9×9
Рис. 2. Назначение выводов
микроконтроллера ATMEGA8
Технические характеристики приведены в табл. 1, схема выводов представлена на рис. 2.
Семейство MEGA AVR – мощные микроконтроллеры, включающие хороший набор периферии. Это семейство имеет самое
большое разнообразие моделей для выбора.
2. Выбор стабилизатора.
На основе предварительного анализа
Рис. 3. Внешний вид
выбран стабилизатор типа LM7805, технические характеристики его представлены в стабилизатора LM7805
табл. 2, а внешний вид на рис. 3.
Таблица 2
Технические характеристики стабилизатора LM7805
Шаг выводов, мм
Рабочая температура, °С
Ток выходной, А
Напряжение, В – падения, А
Напряжение входное, В
Напряжение выходное, В
Габаритные размеры, мм
2,54
от 0 до 125
1
2, 1 До 35 5 10×4×15
51
3. Выбор транзистора.
Исходя из функциональных требований выбран полевой транзистор IRL540NS, технические характеристики транзистора представлены в табл. 3, а внешний вид на рис. 4.
Рис. 4. Общий вид полевого транзистора IRL540NS
В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения
и тока.
Таблица 3
Технические характеристики транзистора IRL540NS
Корпус
Напряжение пробоя сток-исток, В
Сопротивление в открытом состоянии, мОм
Ток стока, А
Заряд затвора, нКл
Термосопротивление, К/Вт
Рассеиваемая мощность, Вт
Габаритные размеры, мм
TO-263
100
44
36
49.3
1.1
3.8
10,29×9,91
4. Выбор устройства индикации.
Исходя из установленных требований, в качестве устройства индикации выбран светодиод SMD 0805. Технические характеристики светодиода представлены в табл. 4, а внешний вид на рис. 5.
Таблица 4
Технические характеристикиSMD 0805
Материал
Цвет сечения
Длина волны, нм
При токе I пр., мА
Видимый телесный угол, град
52
Ingan
зеленый
525
20
130
Рис. 5. Внешний вид
светодиода SMD 0805
Рис. 6. Внешний вид
реле NRP-15-C-05D
5. Выбор реле.
На основе сравнительного анализа по функциональному назначению и характеристикам выбрано реле NRP-15-C-05D, технические характеристики которого представлены в табл. 5, а внешний
вид на рис. 6.
Таблица 5
Технические характеристики реле NRP-15-C-05D
Ток питания
Классификация реле по начальному состоянию
Поляризация
Количество обмоток
Номинальное рабочее напряжение, В
Максимальное коммутируемое постоянное напряжение, В
Максимальный коммутируемый постоянный ток, А
Максимальное коммутируемое переменное напряжение, В
Максимальный коммутируемый переменный ток, А
Постоянный
Моностабильное
Нейтральное
1
5
30
30
240
30
6. Выбор резисторов.
Исходя из мощностных, габаритных и надежностных характеристик для устройства выбраны CHIP резисторы РН1-12, технические характеристики этого типа
резисторов представлены в табл. 6,
а внешний вид на рис. 7.
Бескорпусные толстопленочные
резисторы (чип – резисторы, smd –
резисторы) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. ИспользуютРис. 7. Общий вид CHIP
резистора РН1-12
ся для поверхностного монтажа.
53
Таблица 6
Технические характеристики резистора CH1-12
Номинальная мощность, Вт
Диапазон номинальных сопротивлений, Ом
Точность, %
Рабочее напряжение, B
Диапазон рабочих температур, °C
Максимальное рабочее напряжение, В
Габаритные размеры. мм
0,125
1–10
±1
200
–55+125
150
2×1,25×0,5
7. Выбор конденсаторов.
По совокупности характеристик в качестве
электролитического конденсатора выбран
конденсатор типа A700D476M12RATE025,
технические характеристики конденсатора
приведены в табл. 7, а внешний вид на рис. 8.
В данном типе электролитических конденсаторов в качестве диэлектрика используется
Рис. 8. Внешний вид
тонкая оксидная пленка, нанесенная на поэлектролитического
верхность одного из электродов анода, а в роли
конденсатора
A700D476M12RATE02 второго электрода выступает электролит. Таблица 7
Технические характеристики электролитического конденсатора
A700D476M12RATE025
Емкость, мкФ
Корпус алюминиевого электролитического конденсатора
Номинальное напряжение, В
Срок службы при температуре 105 °C
Минимальная и максимальная рабочая температура, °C
Допуск емкости, %
47
2917[7343]
12
5000 часов
–55+125
±20
Для постоянных конденсаторов выбран керамический тип GRM55DR73A104K.
В качестве изоляционного материала в них
используется титанат кальция и бария. Большая ёмкость таких конденсаторов достигаетРис. 9. Внешний вид ся путём увеличения количества электродов и
уменьшения толщины диэлектрика. В табл. 8
керамического
и на рис. 9 приведены характеристики и внешконденсатора
GRM55DR73A104K ний вид конденсаторов соответственно.
54
Таблица 8
Технические характеристика керамического конденсатора
GRM55DR73A104K
Выводы/корпус
Тип
Рабочее сопротивление, В
Номинальная емкость
Допуск номиналов %
Температурный коэффициент
Рабочая температура, С
Габариты, мм
Smd 2220
Grm55
1000
0,1
10
X7r
–55 … 125
5,7×5
8. Выбор функционального узла приемник/передатчик.
Приемник/передатчик служит для
приема/передачи радиосигналов, а также
для связи с пультом управления. В силу
того, что в каталогах имеются варианты
таких устройств в виде микромодулей, то
на основе анализа технических характеристик выбран передатчик RF 315/433 МГц и
Arduino. Технические характеристики
устройства представлены в табл. 9 и 10, а
внешний вид микромодуля на рис. 10.
Рис. 10. Радиопередатчик
RF и Arduino
Таблица 9
Технические характеристики передатчика
Рабочее напряжение, В
3–12
Максимальная и минимальная рабочая сила тока, мА
40–9
Рабочий частотный диапазон, МГц
315–433
Мощность, мВ
25 (315 МГц при 12 В)
Погрешность частот
+150
Таблица 10
Технические характеристики приемника
Рабочее напряжение, В
Рабочая сила тока, мА
Метод приема данных
Рабочие частоты, МГц
Пропускная способность, МГц
Чувствительность, дБм
Скорость приемника, Кб/сек
5
5,5
OOK/ASK
315–433,92
2
Боле 100 (50 Ом)
<9,6 (при 315 МГц и –95 дБм)
55
9. Выбор кварцевого резонатора.
По частотным и технологическим характеристикам предпочтение было отдано кварцевому резонатору типа HC49-4H, технические характеристики которого представлены в табл. 11, а внешний
вид на рис. 11.
Таблица 11
Технические характеристики кварцевого резонатора
HC49-4H
Линия продукции
Номинальная частота, Мгц
Емкость нагрузки, ПФ
Минимальная рабочая температура, С
Максимальная рабочая температура, С
Серия HC49
12
18
–40
80
В качестве основного материала служит кварц, керамика и некоторые другие пьезоэлектрики.
В процессе выбора элементной базы использовались электронные
библиотеки ведущих производителей микросхем, что значительно упростило процесс проектирования и позволило в короткие сроки проанализировать большие объемы информации, касающиеся возможностей современной элементной
базы применительно к решаемой задаче. Одним
из основных критериев, при выборе элементной
базы, был способ монтажа ЭРИ. Предпочтение
Рис. 11. Кварцевый отдавалась элементам с SMD корпусами, что согенератор
ответствует поверхностному монтажу. Этот споHC49-4H
соб имеет ряд преимуществ, а именно:
– обеспечивает большую плотность монтажа,
отсутствие выходящих за объем корпуса выводов;
– упрощено изготовление ПП, за счет отсутствия отверстий под
каждый вывод элемента;
– более простая технология установки элементов на ПП.
Монтаж в отверстия предусмотрен только для микроконтроллера, микромодуля приемник/передатчик и кварцевого резонатора, монтаж которых планируется на позиции ручного монтажа с
применением паяльника, ввиду сложности выполнения их монтажа автоматом-установщиком и нецелесообразности пребывания в
печи пайки.
56
3.2. Выбор системы БНК, типоразмера
и класса точности печатной платы
3.2.1. Выбор варианта несущей конструкции
Для размещения и электрического соединения проектируемых электронных модулей (ЭМ), а также обеспечения их защиты
от внешних и внутренних дестабилизирующих воздействий, необходимо выбрать несущую конструкцию. Несущая конструкция
(НК) из соображений унификации, технологичности и сокращения
сроков и объемов работ по её проектированию, выбирается из числа существующих систем базовых несущих конструкций (БНК)
(рис. 3.2).
Типовая структура БНК состоит из модулей трех уровней конструктивной иерархии (рис. 3.3 и 3.4).
Модуль первого уровня (ячейка, ТЭЗ, УФУ) – основная сборочная единица, служащая для размещения и электрического соединения функционально законченных устройств, не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения.
Модуль второго уровня (блок, прибор) – сборочная единица для
размещения и электрического соединения модулей первого уровня
и образования функционально законченных устройств, имеющих
(например, настольный прибор) или не имеющих (вставной каркас)
самостоятельного эксплуатационного назначения.
Модуль третьего уровня – сборочная единица, служащая для
размещения и электрического соединения модулей второго уровня (при необходимости, и модулей первого уровня) и образования
функционально законченных устройств, имеющих самостоятельное эксплуатационное назначение (например, шкаф, стойка, пульт).
Системы БНК построены на принципах унификации, типизации, агрегатировании и ограничения как методы, обеспечивающие
рациональное сокращение количества типов и типоразмеров конструктивных элементов, деталей и сборочных единиц всех структурных уровней БНК.
Важнейшей задачей разработчика является максимальное использование полезного объема БНК второго и третьего уровней
для размещения в них аппаратуры, испытывающей внутренние и
внешние дестабилизирующие воздействия (механические, электромагнитные, тепловые и другие).
Перспективными мерами здесь являются: комплексная миниатюризация на основе уменьшения размеров несущих элементов,
использование миниатюрных электросоединителей и кабельных
57
58
Раскрывающиеся
Из
штамповочных
деталей
Из фасонного
профиля
Сварные
Из
литых
деталей
Жёсткие
сборные
Рамочные
Комбинация
панелей
Комбинация
панелей
и стержней
Шасси –
лицевая панель
Панельные с шасси
Нераскрывающиеся
Панельные
Шасси – лицевая
панель стенки
Коробчатые
Бескаркасные
Рис. 3.2. Разновидности несущих конструкций электронной аппаратуры
Из уголкового
профиля
Литые
Жёсткие
неразборные
Каркасные
Несущие конструкции РЭС
III óðîâåíü
ÁÍÊ
II óðîâåíü
ÁÍÊ
I óðîâåíü
ÁÍÊ
Рис. 3.3. Типовая структура системы БНК
изделий, уменьшение воздушных зазоров между модулями первого
уровня в верхних уровнях и другие технические решения.
В КП и ВКРБ необходимо, с учетом приведенных выше сведений и материала подраздела 2.3, выбрать конкретное компоновоч59
+++ +++
+++
+
++
+++
++
+
++
8
4
+
+
+
+ ++ + + +
+ ++ + + +
+
+
5
9
+
+
+
+
+
+ ++
+
10
6
2
+
++
+
++
11
7
12
Рис. 3.4. Уровни БНК: 1, 2 – ячейки; 3 – корпус блока; 4 – блочный каркас; 5 – корпус вставного блока; 6 – корпус блока (авиационного); 7 – корпус контейнера (авиационного); 8 – корпус шкафа; 9 – корпус пульта; 10 – корпус моноблока; 11 – корпус шкафа для выдвижной стойки;12 – выдвижная стойка
+++
++
+
++
+
+
+
3
1
ÁÍÊ 1
ÁÍÊ 2
ÁÍÊ 3
60
ное решение для размещения проектируемого электронного модуля
(БНК 1) в несущей конструкции верхнего уровня (прибор, блок), используя решения, представленные на рис. 3.5.
На рис. 3.6 приведены сечения различных профильных материалов, поставляемых в виде готового профильного проката или
изготавливаемых на предприятии с применением листогибочных
штампов или методом экструзии. Из отрезков таких тонкостенных
профилей создаются НК, путем различного вида сборочных соединений, что обеспечивает необходимую жесткость НК при минимальной массе.
На рис. 3.7 представлены варианты компоновок модулей в каркасной НК. Так как каркасная НК является наиболее рациональной
конструкцией автономных приборов и вставных блоков, то для проектируемого модуля можно выбрать один из предлагаемых вариантов.
Варианты 2 и 6 применяются при возможности доступа к модулям только со стороны лицевой панели, путем её открытия с горизонтальным (откидывание) или вертикальным (поворот) расположением шарнира.
С позиции обеспечения конвективного теплообмена предпочтительными являются варианты 3–6. Этажерочные варианты допустимы для компоновки маломощных модулей, иначе необходимо
применять сложную систему принудительного теплообмена. Для
варианта 4 необходимо выполнять в кросс-плате вентиляционные
отверстия. Для эффективного конвективного теплообмена наиболее
предпочтительны варианты 3 и 6, так как ничто не препятствует
естественному теплообмену в таких конструкциях.
В мировой практике наиболее распространены 19» НК, поэтому,
если в задании не оговорена иная система БНК, то в КП и ВКРБ рекомендуется использовать именно эту систему БНК.
Краткая характеристика системы 19».
Базовой единицей измерения является дюйм, который считается равным 25,4 мм. Это позволяет достаточно удобно пользоваться
им в странах с метрической системой измерений. Ширина кассет
и субблоков для установки в стойку составляет, 19», или 482,6 мм.
Однако под посадочные места для модулей отведена не вся ширина
субблоков, а только 16,8 дюйма, или 426,72 мм. Это пространство
поделено на 84 посадочных места шириной 5,08 мм, или 0,2 дюйма.
Все вертикальные посадочные размеры в шкафах кратны 44,45 мм,
что равно 1,75 дюйма. Эта единица называется 1U. Из табл. 3.1 можно выбрать типоразмер, удовлетворяющий особенностям проектируемого модуля или блочного каркаса (рис. 3.8 и 3.9).
61
62
Д
К
Б
Л
Е
В
3
4
2
М
Ж
5
1
3
Рис. 3.5. Типовые компоновочные решения конструкций приборов и блоков (уровень БНК 2):
А – каркасная сварная НК; Б – каркас НК с направляющими; В – установка модулей в НК на поворотных
шарнирах (1 – модуль, 2 – кросс-плата, 3 – шарнир, 4 – корпус, 5 – ручка); Г – книжная НК; Д – НК веерного
типа; Е – раскладная НК; Ж – рамочная НК; И – раскрывающаяся НК; К – НК из соединительных
планок-стяжек; Л – вариант коробчатой НК; М – НК типа «лицевая панель – шасси»
И
Г
А
1
2
а)
б)
R
в)
г)
Рис. 3.6. Примеры различных профилей для НК: а, б – каркасные профили,
гнутые из листового материала; в – открытые профили
для направляющих; г – профили прессованные или экструдированные
Рис. 3.7. Варианты компоновок модулей в каркасной НК:
1, 2 – этажерочное расположение модулей; 3, 4 – вертикальное
расположение модулей параллельно лицевой стенке; 5, 6 – вертикальное
расположение модулей перпендикулярно лицевой стенке; V1 – модули;
V2 – кросс-плата; H, B, L – внешние размерные параметры комплекта
модулей; HK, BK, Lx – размерные параметры кросс-платы
63
C
≤6
Í9
Í8
0
7,47-0,1
n × 5,08
D3
Âèä ñïåðåäè
D4
2,5
Âèä ñáîêó
Ïåðåäíÿÿ
ñòîðîíà
≥7,5
<
M2,5
≤2,7
≤3,6
Ïîëîæåíèå
ïåðâîé
ïå÷àòíîé
ïëàòû
Ñå÷åíèå Ñ- Ñ
Ëèíèÿ øàãà âûâîäîâ
Рис. 3.8. Конструкция модуля с лицевой панелью
64
4,07
3,92 ± 0,1
≤ 8,43
Ïîëîæåíèå
ïîñëåäóþùèõ
ïå÷àòíûõ
ïëàò
≤8,8
Ýëåìåíò
n × 5,08 ± 0,2
<H5
2,54
n × 5,08 ± 0,15
H10
≤2,5
<H5
Çîíà
ñîåäèíèòåëÿ
7,62
3,1 ±0,1
≤3,06
88,9 ± 0,1
≤3,8
C
Çîíà äëÿ
íàïðàâëÿþùåé
≤2,5
<
6,1 ± 0,15
≤3,43
Ðåçåðâíàÿ
çîíà äëÿ
êðåïëåíèÿ
ïëàòû
0
(n × 5,08)-0,3-0,2
Ëèíèÿ øàãà
âûâîäîâ
482,6 ± 0,4
>426,72
Â
U
Í7
Â
2,54
À
83 × 5,08
84 × 5,08
Çàäíÿÿ ïëîñêîñòü
çàêðåïëåíèÿ
≥2,54
Í1
Ìîíòàæíûå îòâåðñòèÿ
ñïåðåäè è ñçàäè Ì2,5
«Y»
(ñì. ðèñóíîê 5)
À
Í5
Âèä ñïåðåäè
Í6
«Õ»
(ñì. ðèñóíîê 5)
D1
Òèïîâàÿ
íàïðàâëÿþùàÿ
Áîêîâàÿ ñòåíêà ìîæåò
ïðåâûøàòü ðàçìåð D1
(íàïðèìåð,ñ ó÷åòîì
çàùèòû ñîåäèíèòåëåé)
À
0,6 À
≤449 (âêëþ÷àÿ ðàçìåðû ôèêñàòîðîâ)
Ïåðâàÿ
ëèíèÿ øàãà
âûâîäîâ
Ñå÷åíèå À-À
Ïåðåäíÿÿ
ïëîñêîñòü
çàêðåïëåíèÿÿ
Äîïóñòèìû
îáà òèïà
îòâåðñòèé
Îñåâàÿ
ëèíèÿ
Í3
6,8+0,5
0
Í2
Í4
Í1
6,8+0,5
0
14,7 ± 1,2
10,3±0,4
13,5±0,4
Ì2,5
<10,16
2,54
10,16
Ýëåìåíò Y
≤1,5
3,2+0,3
0
Í7
≤2
≤2,2
≤6
1,6 ± 0,2
Ïåðåäíÿÿ ïëîñêîñòü
çàêðåïëåíèÿ
≥6
Í6
Ýëåìåíò Õ
Ëèíèÿ
øàãà âûâîäîâ
4,07 1)
≥2,54 2)
>3,6
Ýëåìåíò Z
Рис. 3.9. Элементы блочного каркаса
65
66
439,70
433,65
411,15
395,25
389,20
366,70
350,80
344,75
322,25
D1 ± 0,5
75,60
95,60
115,60
135,60
D2 ± 0,5
72,24
92,24
112,24
132,24
D3 – 0,5
60,00
80,00
100,00
120,00
D4 ± 0,4
69,93
89,93
109,93
129,93
D4 ± 0,4
71,93
91,93
111,93
131,93
D4 ± 0,4
71,74
91,74
111,74
131,74
Предпочтительные размеры выделены жирным шрифтом
155,60
152,24
140,00
149,93
151,93
151,74
175,60
172,24
160,00
169,93
171,93
171,74
500,05
522,55
528,60
12U
532,60
457,20
37,70
190,50
512,05
522,55
500,25
295,60
292,24
280,00
289,93
291,93
291,74
Таблица 3.2
455,60
478,10
484,15
11U
488,15
412,75
37,70
146,05
467,60
478,10
455,80
235,60
232,24
220,00
229,93
231,93
231,74
10U
443,70
368,30
37,70
165,10
423,15
433,65
411,35
9U
399,25
323,85
37,70
120,65
378,70
389,20
366,90
8U
354,80
279,40
37,70
76,20
334,25
344,75
322,45
Размеры БНК 1 и БНК 2 по глубине в миллиметрах
Высота
2U
3U
4U
5U
6U
7U
132,55
265,90
H1 ± 0,4 88,10
177,00
221,45
310,35
57,15
190,50
H2 ± 0,4 76,20
101,60
146,05
234,95
37,70
37,70
H3 ± 0,4
5,95
37,70
37,70
37,70
–
76,20
H4 ± 0,4
–
–
–
57,15
112,00
245,35
H5 ≥
67,55
156,45
200,90
289,80
122,50
255,85
H6 ± 0,2 78,05
166,95
211,40
300,30
100,20
233,55
H7 + 0,5 55,75
144,65
189,10
278,00
H8 ±
128,55 173,00 217,45 261,90 306,35
84,10
0,15
122,50 166,95 211,40 255,85 300,30
H9 ± 0,2 78,05
H10 –
100,00 144,45 188,90 233,35 277,80
55,55
0,3
Предпочтительные размеры выделены жирным шрифтом
Размеры БНК 1 и БНК 2 по высоте в миллиметрах
Таблица 3.1
3.2.2. Выбор типоразмера печатной планы
и класса точности изготовления
После выбора варианта НК и расположения модуля в НК необходимо приступить к проектированию ПП. Такая последовательность
предпочтительнее, так как выбранный типоразмер модуля может
служить ограничением при проектировании ПП. На начальном этапе задача проектирования ПП заключается в выборе габаритных
размеров ПП и определении:
– суммарной установочной площади для ЭРИ;
– площади ПП;
– длины и ширины ПП.
Размеры сторон ПП должны быть согласованы с размерами базовых несущих конструкций, для которых они предназначены. Если
выбрана система 19», то размеры ПП приведены в табл. 3.3.
Во многих случаях более удобно пользоваться ГОСТ 53429-2009
при определении размеров ПП и класса точности.
По этому стандарту размеры каждой из сторон ПП должны быть
кратными:
2,5 мм – при длине до 100 мм включительно;
5,0 мм – при длине до 350 мм включительно;
10,0 мм – при длине более 350 мм.
Таблица 3.3
Размеры ПП в 19» системе НК
Обозначение
Высота (мм)
3U
100
4U
144,45
5U
188,90
6U
233,35
Длина (мм)
100
160
220
280
100
160
220
280
100
160
220
280
100
160
220
280
67
Предельные отклонения сопрягаемых размеров контура ПП не
должны быть более 12-го квалитета по ГОСТ 25347. Предельные отклонения несопрягаемых размеров контура ПП не должны быть более 14-го квалитета по ГОСТ 25347.
Длину и ширину ПП можно выбрать из рекомендуемых размеров по табл. 3.4.
Ориентировочно площадь ПП на раннем этапе проектирования
можно определить по формуле:
n
SΣ = ksΣ ∑ Syi ,
i =1
где Syi – установочная площадь i-го ЭРИ; kS∑ – коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры
(kS∑ = 1–3); n – количество ЭРИ.
Расстояние между корпусами двух соседних ЭРИ на ПП должно
быть не менее 1 мм, а расстояние по торцу – не менее 1,5 мм.
Для односторонней и двусторонней ПП толщина определяется
толщиной материала основания с учетом толщины фольги и химико-гальванических покрытий. Наиболее применяемое приближенное значение толщины ПП равно 1,5 мм.
Таблица 3.4
Линейные размеры ПП по ГОСТ 53429-2009
Ширина,
мм
Длина,
мм
20
30
90
40
100
30
40
40
60
45
75
80
68
60
80
Длина,
мм
140
160
Ширина,
мм
100
110
75
75
80
100
150
60
60
80
60
50
Ширина,
мм
90
Длина,
мм
120
130
Ширина,
мм
140
150
170
120
Длина,
мм
150
200
150
150
170
180
90
140
200
170
150
170
130
120
160
140
170
90
180
120
200
150
170
130
200
160
200
180
170
200
280
20
360
Толщину многослойной печатной платы НП мм, рассчитывают
по формуле:
=
ÍÏ
∑ ÍÑ + (0,75...0,95)∑ ÍÏÐ ,
где НС – толщина слоя МПП (с учетом химико-гальванических покрытий), мм; НПР – толщина прокладки с пропиткой, мм.
Предельные отклонения толщин ОПП, ДПП и ГПК должны соответствовать требованиям стандартов на материал основания конкретного вида. Рекомендуемое значение отклонения толщины ± 0,2 мм.
Предельные отклонения толщины многослойной печатной платы не должны быть более:
± 0,2 мм – для МПП толщиной до 1,5 мм включительно;
± 0,3 мм – для МПП толщиной свыше 1,5 до 3,0 мм включительно;
± 0,5 мм – для МПП толщиной свыше 3,0 до 4,5 мм включительно;
± 0,65 мм – для МПП толщиной свыше 4,5 мм.
Суммарная толщина ПП определена как сумма толщин данной
ПП и непроводящих (защитных) покрытий наружных слоев.
Следующим шагом проектирования необходимо выбрать класс
точности ПП для определения параметров печатного монтажа по
ГОСТ 53429-2009.
Класс точности конкретной ПП определяется на основе приведенных ниже рекомендаций и исходя из задания на проектирование.
Платы первого и второго классов точности характеризуются простотой исполнения, низкой стоимостью, высокой надежностью, но
имеют большие габариты. ПП остальных классов точности отличаются высокой плотностью монтажа, применением дорогостоящих
технологий и высококачественных материалов при своем изготовлении, высокой ценой и трудоемкостью производства.
ПП 3-гo класса – наиболее распространенные, поскольку, с одной
стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой – для их производства требуется рядовое,
хотя и специализированное, оборудование.
ПП 4-го класса выпускаются на высокоточном оборудовании, но
требования к материалам, оборудованию и помещениям ниже, чем
для последующих классов точности.
Изготовление ПП 5-гo класса и выше требует применения уникального высокоточного оборудования, специальных (как правило,
дорогих) материалов, безусадочной фотопленки и даже создания в
производственных помещениях «чистой зоны» с температурной стабилизацией. Таким требованиям отвечает далеко не каждое произ69
Таблица 3.5
Номинальные значения параметров печатного рисунка ПП
Наименование
параметра
Ширина проводника
Расстояние между
проводниками
Гарантийный поясок
контактной площадки
Наименьшие номинальные значения размеров для
класса точности, мм
1
2
3
4
5
6
7
0,75
0,45
0,25
0,15
0,10
0,075 0,050
0,75
0,45
0,25
0,15
0,10
0,075 0,050
0,30
0,20
0,10
0,05
0,025 0,020 0,015
водство. Но ПП небольшого размера могут выполняться по пятому
классу на оборудовании, обеспечивающем получение плат четвертого класса.
Разрабатываемое устройство должно иметь сравнительно малые
габариты, обладать высокой надежностью. Для конструируемых в
КП ПП рекомендуется выбирать 3-й класс точности, так как он обеспечивает достаточную плотность трассировки и монтажа с учетом
необходимых габаритов устройства и при этом для реализации не
требует высокоточного оборудования, которое является дорогим.
Номинальные значения параметров печатного рисунка ПП приведены в табл. 3.5.
3.3. Компоновочный расчет модуля
и определение показателей объема и формы
Компоновка модуля это решение задачи размещения ЭРИ, предназначенных для установки на ПП. Процесс компоновки модуля
завершается получением компоновочного эскиза. При компоновке должны быть учтены требования эффективного использования
монтажной зоны (рис. 3.10), минимизации длин связей между компонентами, ориентирование корпусов компонентов согласно направлению технологического воздействия при пайке, преимущественно краевое размещение соединителей.
Размещение компонентов на ПП должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным
доступом для осмотра, ремонта и замены. Замена детали или компонента не должна приводить к разборке всей конструкции или ее
составных частей.
При компоновке компонентов на поверхности ПП рекомендуется
учитывать конструктивные зоны, предназначенные для различных
70
Место установки контрольных гнезд,
и органов управления
Y2
ЭРЭn
Зона для направляющих
Монтажная зона Sмонт
ЭРЭ2
ЭРЭ1
ЭРЭi
ЭРЭj
ЭРЭm
Место установки электрического соединителя
Y1
Х1
Х2
Рис. 3.10. Схема зон на монтажной поверхности ПП
функциональных задач (рис. 3.9), при этом компоновка элементов
(за исключением разъема) регламентируется только монтажной зоной Sмонт. Технологическая зона, состоящая из четырех краевых
полей вокруг монтажной зоны, предназначается для крепления
печатной платы в технологической оснастке при сборке, монтаже
и контроле, а также для крепления несущей конструкции (рамки),
установки разъема с выводами и лицевой панели с контрольными
гнездами.
Площадь, занимаемая ЭРИ определяется суммой площадей их
посадочных мест на плате согласно ГОСТ 17467-88 с учетом площади занимаемой соединительными проводниками
n
SÝÐÝ= k ⋅ ∑ Si ,
i =1
где k = 2…4 – коэффициент учитывающий увеличение площади
платы с учетом площади, занимаемой соединительными проводниками; Si – площадь занимаемая i-м ЭРИ, определяемая площадью
прямоугольника, описанного вокруг ЭРИ и представляющего его
посадочное место.
При этом если SЭРЭ < Sмонт, то все ЭРИ схемы размещаются на
одной ПП, если SЭРЭ > Sмонт, то: или компоненты на ПП будут размещены с двух сторон, или определяют количество печатных плат
КПП, необходимых для размещения всех ЭРИ схемы,
71
S

=
ÊÏÏ entier  ÝÐÝ + 1 .
 Sìîíò

При размещении компонентов необходимо выполнять определенные правила, установленные различными стандартами:
– все бескорпусные компоненты и компоненты с планарными
выводами (SMD) следует размещать на одной стороне платы. В случае если это условие выполнить невозможно, следует разделить
компоненты на «легкие» и «тяжелые» и размещать их на разных
сторонах платы. Например, пассивные компоненты, разместить на
одной стороне, микросхемы на другой;
– размеры площадок должны соответствовать рекомендуемым
для данного типоразмера корпуса (информацию о размерах площадок можно уточнить в стандартах IPC-7351 или IPC-782);
– зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рис. 3.11;
– компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм (0,05”) от
края заготовки и не ближе запрещённых зон, указанных на рис. 3.9;
– полярные компоненты рекомендуется ориентировать одинаково;
– желательно, чтобы максимальное число компонентов имели
одинаковый типоразмер корпуса. Например: резисторы и конденсаторы – 0805. Подбор компонентов подобным образом позволяет
установщику достигнуть максимальной производительности;
– максимальная высота компонента 20 мм;
– максимальный вес компонента 25 г;
– для компонентов с шагом выводов 0,5 мм и менее оставлять
место (по диагонали компонента либо по центру) для размещения
локальных реперных знаков.
Способы установки компонентов при проектировании модуля и
выполнении сборочного чертежа выполнить по ГОСТ 29137-91. Основные варианты установки из этого стандарта приведены в приложении Е.
В зависимости от назначения, уровня интеграции и объекта установки объем и форма блоков аппаратуры могут быть различными:
объем обычно меняется от одной десятой до нескольких десятков
кубических дециметров, а форма может быть плоской, кубической,
прямоугольной или цилиндрической.
От этих двух параметров конструкций блоков в сильной степени
зависят такие показатели качества, как допустимая удельная мощность рассеяния (тепловая напряженность) и вибропрочность, во
многом определяемая собственной частотой конструкции.
72
73
Рис. 3.11. Минимальные зазоры между компонентами
Компоновочное решение модуля, отношение размеров сторон
ПП, сторона размещения соединителей на ПП, положение кроссплаты и модуля в блоке, – это факторы, определяющие объем и форму блока или автономного прибора. При решении реальных задач
объемной компоновки (модулей в блоке) существует два основных
исходных варианта:
– «от блока», когда форма и размеры блока известны, и они определяют номинальные размерные параметры модулей;
– «от модуля», когда перед разработчиком поставлена главная задача, заключающаяся в получении минимальных (рациональных)
размеров модуля, которые и определят форму и объем изделия.
Значимость решения поставленной задачи по второму варианту
и доказательство эффективности решения, состоящего не только в
размерных выигрышах, можно обоснованно подтвердить, используя приведенную ниже методику расчетов.
Оценим влияние объема блока на удельную мощность рассеяния, считая для простоты выводов форму блока со стороной aб кубической.
Изменение стороны куба в k1 раз приведет к изменению его объема в k13 . Поскольку площадь поверхности куба S= 6 ⋅ aá2 , а объем
V = aá3 , то удельная мощность рассеяния
Ðóä.ðàññ = (α ê + α ë ) ⋅ ∆t
S
6
= (α ê + α ë ) ⋅ ∆t ,
V
àá
где α ê , α ë – коэффициенты теплопередачи конвекцией и лучеиспусканием от блока в среду; ∆t – перегрев корпуса блока. Если принять какой-либо объем блока за номинальный, например V0 = aà3 ,
á
и по отношению к нему оценить изменение (вариацию) удельной
мощности рассеяния Bр при изменении (вариации) объема Bv (в ki3
раз) для i-го варианта, то такая оценка Bр может быть проведена по
следующей формуле:
(α ê + α ë )i ∆t6aá0 (α ê + α ë )i aá0
(α ê + α ë )i 1
,
Âð
=
= =
(α ê + α ë )0 ∆t6aái (α ê + α ë )0 àái (α ê + α ë )0 k1
(3.1)
где aб; aá1 = k1àá0 – стороны куба для номинального объема и i-го
варианта.
С изменением стороны куба (определяющего размера) коэффициент лучеиспускания не меняется; коэффициент конвекции для
закона степени 1/4, как показывают расчеты, меняется незначи74
тельно (5…10%), а для степени 1/3 не меняется. Поэтому выражение
(3.1) можно записать в виде Bр = 1/ ki. Зависимость Bр = f(Bv), где
Bv = Vi / V0 = ki3 , построенная по точкам, представлена на рис. 3.12.
Из графика видно, что при изменении объема в 10 раз в сторону
увеличения или уменьшения, удельная мощность рассеяния, в том
числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) в обратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных
изменений допустимой тепловой напряженности по общей формуле, так как главным фактором является не сам объем, а отношение
площади теплопередачи к объему, т. е. S / V. Поэтому для практических расчетов на рис. 3.13 приведена зависимость этого отношения
от объемов блоков ПА.
Оценим количественно влияние формы блока на удельную мощность рассеяния. Для этого кубическую форму блока будем либо
“вытягивать” в столбик, либо “сжимать” в более плоскую (планарную) пластину. Второй случай на практике более реален, причем
Рис. 3.12. Зависимость вариации мощности рассеяния блока
от вариации его объема
i
Рис. 3.13. Зависимость отношения площади теплоотдачи блока
к его объему от объема блока
i
i
75
i
пластина может иметь как квадратную, так и прямоугольную формы. Для простоты выводов выберем квадратную форму плоского
блока – панель. Введем понятие коэффициента планарности, отражающего степень плоскостности конструкции, как k2 = àá / h’, где
aб – сторона куба, h’, – высота панели (рис. 3.14).
При этом объемы куба и панели равны. Откуда aбS0 = h’·Si и
k2 = Si / S0. Поскольку Si > S0, то при увеличении коэффициента
планарности должна возрасти допустимая мощность рассеяния в
блоке, так как с большей площади теплоотдачи в среду может быть
передана большая мощность рассеяния.
Оценим это количественно. Обозначим увеличение стороны
верхней грани панели k3 = àái / àá . Тогда общая площадь теплоотдачи панели

2 
2àá2 + 4aái h′ =
2k3 aá (k3 àá + 2àá / k2 ) =
2aá2 k3  k3 + .
Sï =
i
k2 

Из равенства объемов находим, что k32àá2 (àá / k2 ) = aá3 и k32 = k2 .
i
i
i
i
Рис. 3.14. К определению коэффициента планарности
конструкции блока
Рис. 3.15. Зависимости вариации мощности
рассеяния блока от коэффициента планарности:
1 – для панели, 2 – для балки
76
Заменив k3 на k2 в выражении для площади, получим

2 
=
Sï 2àá2  k2 +
. Увеличение удельной мощности рассеяния В’p

k2 

за счет перехода от кубической формы блока к панельной будет равно увеличению площади теплоотдачи этих форм, т. е.
=
Âp′ Sï /=
6S0
1
1 
 k2 +
.

3
k2 
По этой формуле получена зависимость выигрыша в удельной
мощности рассеяния (ее вариация Âp′ ) от степени планарности формы блоков ПА (рис. 3.15).
Приведенные выше зависимости имеют непосредственное практическое значение при выборе рациональных объемов и формы изделия. Например, для изделия портативного, носимого, или при выборе минимального типоразмера проектируемого блока аппаратуры
из системы БНК.
3.4. Выбор варианта конструктивно-технологической
реализации модуля
На основе выполненного ориентировочного размещения корпусов компонентов на ПП и полученного компоновочного варианта,
необходимо выбрать другие конструкторско-технологические решения по формированию конструкции модуля.
Выбор конструктивно-технологического исполнения модуля осуществляется на основе рассмотрения следующих вариантов:
1) корпуса компонентов выбраны для поверхностного монтажа
(КПМ);
2) корпуса компонентов выбраны для монтажа в отверстия (КМО);
3) выбран смешанный вариант корпусов компонентов КПМ и
КМО);
4) компоненты устанавливаются на одной стороне ПП;
5) компоненты устанавливаются с двух сторон ПП
Наиболее простые варианты с позиции минимальной трудоемкости изготовления – 2 и 4. Они выбираются для конструкций с
нежесткими требованиями к габаритным характеристикам, например, для стационарной аппаратуры автоматизированных систем
управления, для систем управления технологическим оборудованием, для изделий, к конструкциям которых не предъявляются вы77
сокие массогабаритные требования, а имеется требования минимизации себестоимости изготовления.
Основные преимущества применения КПМ:
– снижение массы и габаритов модуля и изделия в целом (в 2…6
раза);
– улучшение помехозащищенности, быстродействия и частотных характеристик ЭРИ (паразитная индуктивность и емкость выводов уменьшается в 2…10 раз);
– повышение производительности труда на сборочных работах
(в 5 раз), возможность полной автоматизации процесса;
– улучшение качества пайки, повышение надежности, уменьшение количества металлизированных переходных отверстий;
уменьшение себестоимости, капитальных затрат, транспортных
расходов при производстве.
Основные преимущества применения КМО:
– более высокая прочность паяных соединений;
– отсутствие непосредственного воздействия температуры пайки
на компоненты;
– менее жесткие допуски на точность изготовления ПП;
– простое сравнительно не дорогое оборудование;
– хорошо освоенный процесс с минимальной дефектностью;
– простота выполнения ремонтных и контрольно-измерительных работ.
Преимущества использования ДПП:
– обладают высокой трассировочной способностью и обеспечивают возможность плотного монтажа, за счет размещения ЭРЭ на обеих сторонах ПП;
– характеризуются повышенной механической прочностью и
высокими коммутационными свойствами.
В качестве критериев выбора рационального конструктивно-технологического варианта могут быть использованы:
– размерные соотношения функционально полезной площади,
отнесенной к суммарной площади варианта ПП;
– оценка по интегрированному показателю в соответствии с перечнем свойств, подлежащих отработке по ТЗ (например, для восстанавливаемого изделия может быть задана отработка по безотказности и ремонтопригодности. В этом случае может быть применена
интегральная оценка по комплексному показателю КГ);.
– обеспечение теплового режима модуля. Оценка может быть выполнена на основе расчета изменения массогабаритных показателей
для обеспечения теплоотвода;
78
– обеспечение устойчивости модуля к механическим нагрузкам
оценивается количеством дополнительных конструктивно-технологических мероприятий, использованных для достижения требуемой механической устойчивости или изменением массогабаритных
показателей.
Могут быть использованы критерии, связанные со специфическими требованиями ТЗ, например, устойчивость к перепадам
климатических характеристик (показатель – затраты на достижение), электромагнитная защищенность (оценка по показателю эффективности электромагнитного экранирования, эффективности
фильтрации или оценка изменения массогабаритных показателей
для достижения требуемой защиты), стабильность функциональных (рабочих) параметров при предельных ВВФ, технологические
критерии (трудоемкость реализации варианта, уровень отработанности выбранных технологий, технологическая точность выходных
параметров модуля.
Наиболее эффективной является сравнительная оценка альтернативных вариантов по комплексу критериальных показателей на
основе морфологического анализа, рассмотренная во второй части
методических указаний.
79
4. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Результаты конструирования оформляются в виде конструкторской документации. В комплект документации КП по конструированию и выпускной квалификационной работы входят конструкторские документы трех групп наименований: конструкторские
графические (чертежи деталей, сборочных единиц, чертеж общего
вида, схемы кинематические, монтажные); конструкторские текстовые (пояснительная записка, технические условия, спецификации, методики и программы испытаний, патентный формуляр,
карта технического уровня и др.); эксплуатационные текстовые
(техническое описание, инструкция по эксплуатации, инструкции
по контролю, регулировке, настройке, по проведению технического
обслуживания и ремонта, ведомости ЗИП и др.).
В зависимости от направления/специальности и требований к
уровню конструкторских умений и навыков, число конструкторских чертежей по изделию – объекту разработки, должно составлять от двух до пяти.
Результаты технологического проектирования оформляются
в виде технологической документации, которая подразделяются
на две группы: технологические графические (схемы технологических процессов, технологические схемы сборки, чертежи технологических установок, приспособлений, инструментов, схемы рабочих зон, наладок, циклограммы, алгоритмы функционирования,
транспортные схемы, планировочные чертежи участков, линий,
комплексов, топологические схемы, таблицы параметров, рабочих
режимов и т. д.); технологические текстовые (технологические
маршрутные и операционные карты, операционные эскизы, документация на технологические операции, описания и технологические инструкции, документация на контроль, документация на испытания и др. документы ЕСТД).
Графический материал технологического проектирования проекта
составляет 1-2 листа (по выбору из списка технологической документации для соответствующего уровня технологической разработки).
В соответствии с требованиями ЕСКД каждый чертеж, таблица,
график и другой вид графического материала должен быть выполнен на стандартном формате, иметь штамп и рамку. В штампе каждого листа графического материала по конструкторско-технологической части проекта обязательны подписи студента, руководителя
дипломного проекта и консультанта по конструкторско-технологической части (если он назначен).
80
Список литературы
1. Ларин В. П., Шелест Д. К. Конструирование и производство
типовых приборов и устройств: учеб. пособие / СПб.: СПбГУАП,
2005. 378 с.
2. Ларин В. П. Выпускная работа бакалавра: метод. указ. студентам, выполняющим подготовку выпускной работы по кафедре микро- и нанотехнологий аэрокосмического приборостроения. СПб.:
ГУАП, 2014. 71 с.
81
ПРИЛОЖЕНИЕ А
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЛАЗЕРНЫХ СРЕДСТВ (№23)
Направление подготовки 11.03.03
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Конструирование модулей электронных средств»
Выдано студенту гр. ___________________________ гр. _______
Тема проекта «Разработка конструкции электронного модуля»
Исходные данные: ___________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
(наименование и назначение модуля, основные требования к конструкции
и ограничения)
Выполнить
1. Анализ технического задания и разработка технических требований на
объект проектирования.
2. Разработка структуры объекта проектирования.
3. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор электронной
компонентной базы.
4. Выбор и обоснование компоновочного решения и системы БНК.
5. Выбор монтажного основания и конструктивно-технологического
варианта модуля
6. Разработка печатной платы и модуля на её основе.
7. Формирование свойств надежности модуля и расчет показателей безотказности.
8. Разработка тепловой модели модуля, обеспечение теплового режима и
расчет показателей.
9. Разработка модели механических нагрузок на конструкцию модуля и
расчет показателей.
10. Обеспечение требований электромагнитной совместимости модуля.
11. Расчет показателей качества конструкции
Графический материал (на А4 в составе пояснительной записки)
1. Принципиальная электрическая схема модуля.
2. Топологический чертеж ПП.
3. Сборочный чертеж модуля.
Задание выдал:
______________
«___» ___________ 20__ г.
Срок выполнения проекта – 01.12.20___ г.
82
Задание принял:
______________
«___» __________ 20__ г.
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЛАЗЕРНЫХ СРЕДСТВ (№23)
Направление подготовки 12.03.01(02)
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Конструирование электронных узлов приборов»
Выдано студенту гр. ___________________________ гр. _______
Тема проекта «Разработка конструкции электронного модуля»
Исходные данные: ___________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
(наименование и назначение модуля, основные требования к конструкции
и ограничения)
Выполнить
1. Анализ технического задания и разработка технических требований на
объект проектирования.
2. Разработка структуры объекта проектирования.
3. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор электронной
компонентной базы.
4. Выбор и обоснование компоновочного решения и системы БНК.
5. Выбор монтажного основания и конструктивно-технологического
варианта модуля
6. Разработка печатной платы и модуля на её основе.
7. Формирование свойств надежности модуля и расчет показателей безотказности.
8. Разработка тепловой модели модуля, обеспечение теплового режима и
расчет показателей.
9. Разработка модели механических нагрузок на конструкцию модуля и
расчет показателей.
10. Обеспечение требований электромагнитной совместимости модуля.
11. Расчет показателей качества конструкции
Графический материал (на А4 в составе пояснительной записки)
1. Принципиальная электрическая схема модуля.
2. Топологический чертеж ПП.
3. Сборочный чертеж модуля.
Задание выдал:
______________
«___» ___________ 20__ г.
Срок выполнения проекта – 01.12.20___ г.
Задание принял:
______________
«___» __________ 20__ г.
83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЛАЗЕРНЫХ СРЕДСТВ (№23)
Направление подготовки 12.03.05
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Основы конструирования оптических и лазерных приборов и систем»
Выдано студенту гр. ___________________________ гр. _______
Тема проекта «Разработка конструкции электронного модуля»
Исходные данные:___________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
(наименование и назначение модуля, основные требования к конструкции
и ограничения)
Выполнить
1. Анализ технического задания и разработка технических требований на
объект проектирования.
2. Разработка структуры объекта проектирования.
3. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор электронной
компонентной базы.
4. Выбор и обоснование компоновочного решения и системы БНК.
5. Выбор монтажного основания и конструктивно-технологического
варианта модуля
6. Разработка печатной платы и модуля на её основе.
7. Формирование свойств надежности модуля и расчет показателей безотказности.
8. Разработка тепловой модели модуля, обеспечение теплового режима и
расчет показателей.
9. Разработка модели механических нагрузок на конструкцию модуля и
расчет показателей.
10. Обеспечение требований электромагнитной совместимости модуля.
11. Расчет показателей качества конструкции
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
Графический материал (на А4 в составе пояснительной записки)
1. Принципиальная электрическая схема модуля.
2. Топологический чертеж ПП.
3. Сборочный чертеж модуля.
Задание выдал:
______________
«___» ___________ 20__ г.
Срок выполнения проекта – 01.12.20___ г.
84
Задание принял:
______________
«___» __________ 20__ г.
ПРИЛОЖЕНИЕ В
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЛАЗЕРНЫХ СРЕДСТВ (№23)
Направление/специальность подготовки ______________
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Основы конструирования и технологии производства
радиоэлектронных средств»
Выдано студенту гр. ___________________________ гр. _______
Тема проекта «Разработка конструкции модуля РЭС»
Исходные данные: ___________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
(наименование и назначение модуля, основные требования к конструкции
и ограничения)
Выполнить
1. Анализ технического задания и разработка технических требований на
объект проектирования.
2. Разработка структуры объекта проектирования.
3. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор электронной
компонентной базы.
4. Выбор и обоснование компоновочного решения и системы БНК.
5. Выбор монтажного основания и конструктивно-технологического
варианта модуля
6. Разработка печатной платы и модуля на её основе.
7. Формирование свойств надежности модуля и расчет показателей безотказности.
8. Обеспечение требований электромагнитной совместимости модуля.
9. Расчет показателей качества конструкции
__________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
Графический материал (на А4 в составе пояснительной записки)
1. Принципиальная электрическая схема модуля.
2. Топологический чертеж ПП.
3. Сборочный чертеж модуля.
Задание выдал:
______________
«___» ___________ 20__ г.
Срок выполнения проекта – 01.12.20___ г.
Задание принял:
______________
«___» __________ 20__ г.
85
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЛАЗЕРНЫХ СРЕДСТВ (№23)
Направление/специальность подготовки ______________
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Основы конструирования и технологии производства медикобиологических электронных систем»
Выдано студенту гр. ___________________________ гр. _______
Тема проекта «Разработка конструкции модуля РЭС»
Исходные данные: __________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
(наименование и назначение модуля, основные требования к конструкции
и ограничения)
Выполнить
1. Анализ технического задания и разработка технических требований на
объект проектирования.
2. Разработка структуры объекта проектирования.
3. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор электронной
компонентной базы.
4. Выбор и обоснование компоновочного решения и системы БНК.
5. Выбор монтажного основания и конструктивно-технологического
варианта модуля
6. Разработка печатной платы и модуля на её основе.
7. Формирование свойств надежности модуля и расчет показателей безотказности.
8. Обеспечение требований электромагнитной совместимости модуля.
9. Расчет показателей качества конструкции
____________________________________________________________
____________________________________________________________
___________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Графический материал (на А4 в составе пояснительной записки)
1. Принципиальная электрическая схема модуля.
2. Топологический чертеж ПП.
3. Сборочный чертеж модуля.
Задание выдал:
______________
«___» ___________ 20__ г.
Срок выполнения проекта – 01.12.20___ г.
86
Задание принял:
______________
«___» __________ 20__ г.
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Задание на выполнение конструкторско-технологической части
выпускных квалификационных работ по направлениям
Решение задач КТП в выпускных квалификационных работах
бакалавров направлений 11.03.03 и 12.03.01(02) подробно изложено
в издании [2].
В выпускных квалификационных проектах бакалавров направлений
09.03.01, 11.03.01, 11.03.02, 11.03.03, 12.03.01, 12.03.04, 12.03.05, 13.03.02
и специалистов (11.05.01) всех форм подготовки рекомендуется следующее
типовое задание по конструкторско-технологической части проекта:
– разработка ТТ на объект проектирования (указания в подразделе 2.2
МУ);
– выбор и обоснование компоновочного решения (указания в подразделе
2.3 МУ часть 1);
– выбор корпусов элементной базы проектируемого изделия (указания
в подразделе 3.1 МУ часть 1);
– выбор конструкционных материалов для изделия и способов их
обработки [1];
– разработка конструкции изделия [1];
– анализ и оценка технологичности конструкции [1];
– разработка маршрутной технологии сборочно-монтажного процесса
(МУ по технологическому проектированию);
– разработка ТУ на эксплуатацию изделия (МУ по технологическому
проектированию).
Задачи расчета показателей надежности, теплового режима, устойчивости к внешним воздействующим факторам включаются в задание по
усмотрению руководителя ВКР.
Содержание задания на подготовку чертежно-графических материалов
также определяется руководителем ВКР.
Все необходимые методические указания по выполнению расчетных
задач и чертежно-графических материалов даны в МУ часть 2.
87
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень принятых сокращений и терминов.................................. Предисловие.............................................................................. 1. Общие методические указания к выполнению заданий
конструкторско-технологического проектирования......................... 1.1. Рекомендации по выбору направления задания
на конструкторско-технологическое проектирование .................. 1.2. Порядок составления и утверждения задания
на конструкторско-технологическое проектирование .................. 1.2.1. Порядок выдачи заданий на курсовое проектирование.... 1.2.2. Порядок выдачи заданий на КТП в выпускной
квалификационной работе ................................................... 1.3. Общие указания по структуре изложения текста решения
задач .................................................................................... 2. Анализ тз на конструирование модуля........................................ 2.1. Формирование общих технических требований
на проектирование ................................................................. 2.1.1. Положения по формированию общих требований
на аппаратуру – место установки модуля ............................... 2.1.2 Рекомендации по формированию общих технических
требований......................................................................... 2.2. Методические указания по разработке технических требований
на модуль .................................................................................. 2.2.1. Схемотехнические требования к ЭМ.............................. 2.2.2. Конструкторско-технологические требования к ЭМ. ....... 2.2.3. Эксплуатационные требования..................................... 2.2.4. Требования к надежности............................................ 2.2.5. Требования к электропитанию ЭМ................................ 2.2.6. Требования по обеспечению электромагнитной
совместимости.................................................................... 2.2.7. Требования по обеспечению помехозащищенности.......... 2.2.8. Требования по обеспечению радио-, радиотехнической,
инфракрасной, оптической и гидроакустической маскировки... 2.2.9. Требования по обеспечению контроля
и диагностирования ЭМ....................................................... 2.2.10. Требования к транспортированию............................... 2.2.11. Требования к хранению............................................. 2.2.12. Требования к составным частям аппаратуры................ 2.3. Выбор компоновочного решения модуля в конструкции
изделия................................................................................. 3. Разработка технического предложения на проект модуля.............. 3.1. Анализ принципиальной электрической схемы и выбор
элементной базы.................................................................... 3.1.1. Анализ принципиальной электрической схемы.............. 3.1.2. Анализ и выбор элементной базы.................................. 88
3
4
8
8
10
10
11
16
17
17
17
20
24
24
25
27
27
28
29
30
30
31
32
32
32
35
40
40
40
41
3.2. Выбор системы БНК, типоразмера и класса точности
печатной платы...................................................................... 3.2.1. Выбор варианта несущей конструкции.......................... 3.2.2. Выбор типоразмера печатной планы и класса точности
изготовления...................................................................... 3.3. Компоновочный расчет модуля и определение показателей
объема и формы. .................................................................... 3.4. Выбор варианта конструктивно-технологической
реализации модуля................................................................. 4. Оформление результатов проектирования................................... Список литературы..................................................................... Приложение А............................................................................ Приложение Б............................................................................ Приложение В............................................................................ Приложение Г............................................................................ Приложение Д............................................................................ 57
57
67
70
77
80
81
82
84
85
86
87
89
Для заметок
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
2 688 Кб
Теги
0d5724e197, larix
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа