теория. Эс как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров)
 Скачать 3.64 Mb.
|
|
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ Под радиоэлектронной аппаратурой (РЭА) в дальнейшем будем понимать электронное средство (ЭС) – радиоэлектронное или электронно-вычислительное, проектирование (особенно конструирование) и изготовление которых имеет много общего. Современные ЭС (в т. ч. ЭВМ) относятся к сложным наукоемким изделиям. При их создании используются новейшие достижения многих отраслей науки и техники. Научно-технический прогресс требует не только постоянного совершенствования технических характеристик ЭС, но и существенного сокращения сроков их проектирования, изготовления и введения в эксплуатацию. Основными стадиями жизненного цикла (ЖЦ) любого изделия являются: проектирование (разработка); изготовление (производство); эксплуатация; утилизация. Согласно данным Европейской организации по качеству, при оценке причин отказов действует правило «70-20-10», по которому 70% отказов происходят из-за недостатков проектирования, 20% — из-за некачественного изготовления и 10% — из-за нарушения правил эксплуатации. В последние годы (в условиях рынка) во многих отраслях большое внимание стали уделять сокращению времени и стоимости, затрачиваемых на создание новых изделий. Важным инструментом в решении этой проблемы является стандартизация как общей организации работ по созданию новой техники, единых правил в представлении информации о конструкции и технологии изготовления, так и отдельных технических (конструктивных и технологических) решений. ЭС как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров). Числовые значения этих параметров в основном определяются заказчиком ЭС и содержатся в технических требованиях (ТТ). Многие из этих требований являются противоречивыми (например, высокая надежность при невысокой стоимости и т.д.). Поэтому разработчику приходится решать сложные задачи не только по обеспечению требований заказчика, но и по выбору наиболее оптимального решения с учетом минимальных затрат на разработку, изготовление, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. Применение стандартных решений в значительной степени способствует общей оптимизации работ по созданию и освоению новой техники. Конструирование и технология ЭС является быстро развивающимся направлением. Так, например, согласно эмпирическому закону Мура, количество транзисторов, которые можно разместить в одном чипе, удваивается каждые 18 месяцев. С повышением степени интеграции увеличивается (по правилу Рента) количество внешних выводов интегральных схем (ИС). Это, в свою очередь, требует применения более совершенных средств коммутации, что в итоге приводит к постоянному росту функциональных возможностей ЭС на единицу объема. Такой прогресс возможен только при постоянном совершенствовании конструкций и технологии изготовления. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЭА Требования, предъявляемые к ЭС Современные ЭС эксплуатируются в самых разнообразных условиях: в закрытых помещениях (специальных комнатах, лабораториях, в цехах) и на открытом воздухе (испытательных площадках и т.д.), на подвижных объектах, а также в условиях, где присутствие человека затруднено (глубины океана, космическое пространство, ядерные реакторы и т.п.). Во всех случаях ЭС должно надежно функционировать и отвечать предъявляемым требованиям. Примерные требования, предъявляемые к разрабатываемому ЭС: Функциональное назначение (приемная или передающая аппаратура, управляющая или персональная ЭВМ и т.д.). Основные параметры и их значения (мощность излучения, полоса пропускания, быстродействие, объемы оперативной, постоянной и внешней памяти, разрядность команд и данных и т.д.). Категория, класс и группа, к которым относится разрабатываемое ЭС. Категории, классы и группы подразделяют ЭС по продолжительности функционирования (однократного, многократного, непрерывного, смешанного действия), по зонам использования (наземная, морская, бортовая), а также по объекту установки (стационарная, носимая, возимая, корабельная, авиационная, космическая и т.д.). Климатическое исполнение. Определяется соответствующими стандартами в зависимости от области (одной из зон, на которые условно разделена поверхность земного шара) использования ЭС. Массогабаритные характеристики и присоединительные размеры. Ограничения по массе и габаритам наиболее важны для транспортируемых ЭС. Присоединительные размеры определяются объектом установки. Требования по надежности включают конкретные количественные характеристики: вероятность безотказной работы за определенный отрезок времени, среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления работоспособности, срок службы и др. Требования безопасности. В общем случае перечисляются требования к обеспечению безопасности персонала при монтаже, эксплуатации, защите от высоких напряжений, тепловых, радиационных, СВЧ и др. воздействий. Определяются с учетом соответствующих стандартов. Эстетические и эргономические требования направлены на уменьшение числа ошибок операторов электронных систем и улучшение условий их труда. К ним относят: требования к индикаторам, переключателям и иным устройствам управления; требования к цветной гамме помещений, мебели, аппаратуры; требования к конструкции и организации рабочего места операторов. Они также определяются с учетом соответствующих стандартов. Требования к технологичности. Различают производственную и эксплуатационную технологичность. Производственная технологичность характеризуется трудоемкостью, материалоемкостью и себестоимостью (т.е. оценивается количественно), а эксплуатационная - доступностью, контролепригодностью, взаимозаменяемостью и т.д. (т.е. оценивается в основном качественно). Прочие требования – к стандартизации и унификации, маркировке, упаковке, транспортированию, хранению, к патентной чистоте разработки и т.д. Многие из вышеперечисленных требований указываются в техническом задании (ТЗ) на разрабатываемое ЭС. Конструкция ЭС как большая система Современные сложные ЭС принято рассматривать как большие системы, характеризуемые следующими принципами: — иерархичностью (т. е. каждая подсистема или элемент системы может рассматриваться как система) — рис.1.1; Рис. 1.1. Схема четырехуровневой иерархической системы — целостностью изучаемой системы (т. е. свойства целого не могут быть поняты и оценены без знания свойств частей этого целого, но само целое принципиально не может быть сведено к сумме свойств составляющих его элементов); — структурностью (т. е. возможностью описания системы с помощью сети связей между ее элементами); — множественностью описания (т. е. система может быть описана множеством математических моделей, каждая из которых охватывает определенный ее аспект); — взаимозависимостью системы и среды (т. е. свойства системы проявляются только при взаимодействии с окружающей ее средой). Конструкция любого ЭС условно может быть представлена как система элементов 1 по меньшей мере трех типов: — функциональных элементов (ФЭ); — линий связи (ЛС); — конструктивных элементов (КЭ). Каждая из этих подсистем также может рассматриваться в качестве многоуровневой иерархической системы: система ФЭ (СФЭ), система ЛС (СЛС) и система КЭ (СКЭ). СФЭ осуществляет функции преобразования, хранения, обработки, передачи, приема и отображения информации. ФЭ располагают на нижнем (нулевом) уровне СФЭ. ФЭ подразделяют на: — пассивные и активные; — дискретные и интегральные 2 ; — бескорпусные и корпусированные; — поставляемые или собственного изготовления; — общего применения или специального (например, для СВЧ- диапазона) и т.д. К пассивным ФЭ относят резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.п., а к активным – усилительные радиолампы, полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы), элементы так называемой функциональной электроники и др. 1 Элемент может выполнять одну элементарную функцию; так, например, заклепка скрепляет два листа металла, радиатор обеспечивает отвод тепла, проводник и резистор обеспечивают двустороннее протекание электрического тока и имеют линейную вольт- амперную характеристику (ВАХ), а диод – одностороннее протекание тока и имеет нелинейную ВАХ и т.д. 2 Термин «интегральные ФЭ» соответствует в приложении термину «элемент ИС». Дискретные ФЭ 3 обычно изготовляются по соответствующим ТУ специализированными предприятиями, где их производство отлажено. СЛС осуществляет обмен информацией между ФЭ. Нижний (нулевой) уровень СЛС составляют межэлементные соединения. Они связывают пассивные и активные ФЭ в схему с определенными функциями. В современных ЭС применяются электрические и волоконно-оптические ЛС. СЛС электрического типа иногда называют электромонтажом. СКЭ может быть представлена в виде следующих составляющих: — подсистемы несущих конструкций (предпочтительно – базовых (БНК)); — подсистем, обеспечивающих функционирование ФЭ и ЛС в условиях воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов (механических воздействий, тепловых полей, воздействий влаги, пыли, электростатических и магнитных полей, различного рода излучений и т.д.). Некоторые элементы могут одновременно выполнять разные функции (т.е. рассматриваться в составе разных систем). Так, например, диэлектрическая подложка ИС является несущей конструкцией для пленочных элементов и навесных компонентов, обеспечивая изоляцию между ними, а также выполняет роль теплоотвода. Печатная плата также является несущей конструкцией для устанавливаемых на нее компонентов и, кроме того, выполняет функции линий связи, изоляции, теплоотвода (правда, неважного), демпфирующего элемента. Металлические несущие конструкции кроме основных функций обычно выполняют роль теплоотвода и цепей заземления. ФЭ, соединенные по специальным правилам и технологии (с использованием ЭС и КЭ), образуют функциональные узлы и устройства различной сложности (или другими словами – электронные модули (ЭМ) различных уровней иерархии): интегральные микросхемы (ИС), микросборки (МСБ), блоки, микроблоки и т.д. Совокупность дискретных ФЭ, входящих в ЭС и располагаемых на нулевом уровне иерархической структуры, часто называется элементной базой (ЭБ). В зависимости от уровня развития ЭБ, на которой строятся ЭС, последние обычно подразделяют на поколения: 1-е поколение – на радиолампах; 2-е – на дискретных полупроводниковых приборах; 3-е – на ИС; 4-е – на БИС; 5-е – на СБИС. Иногда (ввиду отсутствия стандартного определения) под ЭБ того или иного ЭС понимают: 3 Эквивалентные названия: электрорадиоэлементы (ЭРЭ), радиокомпоненты, электронные компоненты, радиодетали, компоненты и т.д. - общий перечень элементов электрической принципиальной схемы; - совокупность элементов (например, определенных серий ИС), выполняющих основные функции по преобразованию информации; - наиболее современные ИС (например, конкретные типы БИС или СБИС). Каждый из этих подходов имеет свои недостатки. Современные ЭС состоят как из ИС (т.е. интегрированных элементов и компонентов), так и из дискретных активных и пассивных компонентов. Специализированные предприятия могут поставлять не только ИС, но и другие ЭМ (узлы на печатных платах, отдельные блоки и устройства. В этих случаях ЭМ будут входить в перечень элементов электрических принципиальных схем ЭС. Особенно это заметно на примере ПК типа IBM PC , изготовляемых (попросту собираемых) по так называемой «отверточной технологии». Поскольку нет однозначного подхода к определению ЭБ, то на нулевом уровне могут рассматриваться: дискретные и интегральные элементы, корпусные и бескорпусные ИС (БИС, СБИС, базовые матричные кристаллы (БМК) и др.), а также поставляемые другими предприятиями различные узлы, блоки и целые устройства. Одним из главных направлений развития конструкций ЭС считается рост функциональных возможностей на единицу объема ЭМ (или уменьшение объема при равных функциях). Для количественной оценки плотности упаковки обычно используются коэффициенты: упаковки (K S ), использования объема (K V ) и использования массы (K M ): K S = N / V ; K V = V / ΣV i ; K M = M / ΣM i , где N – число ФЭ в ЭМ, V и M – соответственно объем и масса ЭМ; ΣV i и ΣM i – соответственно суммы объемов и масс ФЭ. Лекция 2 СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ЕЕ РОЛЬ В КОНСТРУИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ РЭА Общая характеристика стандартизации В процессе трудовой деятельности специалистам часто приходится решать систематически повторяющиеся задачи: проектирование и изготовление деталей и узлов ЭС, составление технической и управленческой документации, измерение параметров технологических операций, контроль готовой продукции, упаковка поставляемой продукции и т. д. В разных регионах страны, отраслях и на предприятиях могут существовать различные варианты решения этих задач. Цель стандартизации — выявление наиболее рационального и экономичного варианта, т.е. нахождение оптимального решения в определенной области стандартизации. Для превращения этой возможности в действительность необходимо, чтобы найденное решение стало достоянием большого числа предприятий (организаций) и специалистов. Только при всеобщем и многократном использовании этого решения существующих и потенциальных задач возможен экономический, технический, информационный или социальный эффект. Объектами стандартизации в РФ являются: 1) продукция (сырье, материалы, готовые изделия); 2) процессы (работы); 3) услуги (производственные и бытовые), а также отдельные аспекты этих групп: термины, обозначения, параметры и размеры, технические требования, методы и правила контроля, приемки, маркировки, транспортирования, хранения и т.д. Непосредственным результатом стандартизации является нормативный документ (НД). Термин «нормативный документ» охватывает такие понятия, как стандарты, правила, рекомендации, нормы, регламенты, общероссийские классификаторы, технические условия (ТУ). Цели и методы стандартизации Общей целью стандартизации является защита интересов потребителей и государства по вопросам качества продукции, процессов и услуг. Согласно Закону РФ «О стандартизации», стандартизация как деятельность направлена на достижение следующих целей: — безопасность продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества; — безопасность хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций; — обороноспособность и мобилизационная готовность страны; — техническая и информационная совместимость, а также взаимозаменяемость продукции; — единство измерений; — качество продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии; — экономия всех видов ресурсов. Метод стандартизации — это прием или совокупность приемов, с помощью которых достигаются цели стандартизации. В работах по стандартизации наиболее широко применяются следующие методы: — упорядочение объектов стандартизации; — параметрическая стандартизация; — унификация продукции; — агрегатирование; — комплексная стандартизация; — опережающая стандартизация. Упорядочение объектов стандартизации. Упорядочение связано прежде всего с сокращением многообразия. Упорядочение как универсальный метод состоит из отдельных приемов: систематизации, селекции, симплификации, типизации и оптимизации. Систематизация объектов стандартизации заключается в научно обоснованном последовательном классифицировании и ранжировании совокупности конкретных объектов стандартизации. Примером результата работы по систематизации продукции может служить Общероссийский классификатор промышленной и сельскохозяйственной продукции (ОКП), который систематизирует всю товарную продукцию (прежде всего по отраслевой принадлежности) в виде различных классификационных группировок и конкретных наименований продукции. Селекция и симплификация — виды деятельности, заключающиеся в определении конкретных объектов, которые признаются целесообразными (селекция), либо нецелесообразными (симплификация) для дальнейшего производства и применения. Оба этих процесса осуществляются параллельно. Им предшествуют классификация и ранжирование объектов, специальный анализ перспективности и сопоставления объектов с будущими потребностями. Типизация объектов стандартизации — деятельность по созданию типовых (образцовых) объектов — конструкций, технологических процессов (ТП), форм документации. В отличие от селекции отобранные конкретные объекты подвергают каким-либо техническим преобразованиям, направленным на повышение их качества и универсальности. Например: типовые несущие конструкции ЭС, типовые технологические процессы изготовления микросхем, печатных плат и т.д. Оптимизация объектов стандартизации заключается в нахождении оптимальных главных параметров (параметров назначения), а также значений всех других показателей качества и экономичности. Параметрическая стандартизация заключается в выборе и обосновании целесообразной номенклатуры и числовых значений параметров, определяющих назначение продукции и условия ее использования: габариты, масса, производительность машин и приборов, энергетические параметры и т.д. Параметрические ряды размеров машин, приборов, режущего инструмента, крепежа и т.д. строят согласно системе предпочтительных чисел. Унификация продукции — рациональное сокращению числа объектов одинакового функционального назначения. Унификация базируется на классификации и ранжировании, селекции и симплификации, типизации и оптимизации элементов готовой продукции. Основными направлениями унификации являются: — разработка параметрических и типоразмерных рядов изделий, машин, оборудования приборов, узлов и деталей; — разработка типовых изделий в целях создания унифицированных групп однородной продукции; — разработка унифицированных технологических процессов, включая ТП для специализированных производств продукции межотраслевого применения; — ограничение целесообразным минимумом номенклатуры разрешаемых к применению изделий и материалов. В зависимости от области проведения унификация изделий может быть межотраслевой (унификация изделий и их элементов одинакового или близкого назначения, изготовляемых двумя или более отраслями промышленности), отраслевой и заводской (унификация изделий, изготовляемых одной отраслью промышленности или одним предприятием). В зависимости от методических принципов осуществления унификация может быть внутривидовой (семейств однотипных изделий) и межвидовой или межпроектной (узлов, агрегатов, деталей разнотипных изделий). Степень унификации характеризуется уровнем унификации продукции - насыщенностью продукции унифицированными, в том числе стандартизированными деталями и сборочными единицами. Производство унифицированных изделий позволяет повысить их серийность, снизить трудоемкость производства, повысить качество (за счет неоднократных проверок в эксплуатации). Унифицированные изделия, как правило, имеют более высокое качество, Агрегатирование — это метод создания машин, приборов и оборудования из отдельных стандартных унифицированных узлов, многократно используемых при создании различных изделий на основе геометрической и функциональной взаимозаменяемости. Агрегатирование очень широко применяется в машиностроении и радиоэлектронике. Например, унифицированные электронные модули в виде микросхем, функциональных узлов и т.д. позволяют создавать большое число ЭС различного назначения. Комплексная стандартизация. Отражает комплексный (системный) подход к объектам стандартизации. Опережающая стандартизация заключается в установлении повышенных по отношению к уже достигнутому на практике уровню норм и требований к объектам стандартизации, которые согласно прогнозам будут оптимальными в последующее время. Стандарты не могут только фиксировать достигнутый уровень развития науки и техники, так как из-за высоких темпов морального старения многих видов продукции они могут стать тормозом технического прогресса. Для того чтобы стандарты не тормозили технический прогресс, они должны устанавливать перспективные показатели качества с указанием сроков (по годам) их обеспечения промышленным производством. Опережающие стандарты должны стандартизировать перспективные виды продукции, серийное производство которых еще не начато или находится в начальной стадии. |