теория. Эс как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров)
 Скачать 3.64 Mb.
|
|
Основы проектирования ЭС Задачи и этапы проектирования По степени новизны проектируемой системы различают следующие типичные задачи проектирования: частичная модернизация существующей системы — изменение ее параметров (а иногда и структуры), вызывающее сравнительно небольшое улучшение одного или нескольких показателей качества; существенная модернизация — изменение параметров и струк- туры системы, вызывающее значительное улучшение одного или нескольких основных показателей качества; создание новой системы, основанной на новых принципах дей- ствия или предназначенной для решения новых задач. Различают два подхода к проектированию ЭС (как системы): «снизу вверх» (восходящее проектирование) и «сверху вниз» (нисходящее проектирование). В первом случае проектирование начинается с подсистем, решающих главные задачи по преобразованию информации. В качестве такой подсистемы обычно рассматривают подсистему ФЭ (электрическую принципиальную схему). Проектирование остальных подсистем и системы в целом ведется начиная с модулей, находящихся в нижней части «иерархического дерева». При нисходящем проектировании система строится путем перехода от наиболее общих абстрактных представлений к реализации аппаратного и программного обеспечения (т.е. решение задач более высоких иерархических уровней предшествует решению задач нижних уровней). В таких случаях пытаются установить самые общие принципы построения системы, а далее начинают заниматься их реализацией, развивая эти принципы в ходе разработки и связывая их с другими принципами и подходами. При каждом из рассмотренных подходов приходится неоднократно возвращаться назад (например, если окажется, что полученные экономические и конструктивно-технологические показатели системы не обеспечивают выполнения поставленных перед нею задач), корректируя предыдущие решения, т.е. применяют рациональное сочетание методов как «снизу вверх», так и «сверху вниз» до получения нужного решения последовательным приближением. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения. Проектирование электронных систем по принципу «снизу вверх» в большей степени применялось на ранних стадиях развития электронной техники. Каждое новое устройство, как правило, было оригинальным и строилось на универсальных дискретных компонентах (резисторах, транзисторах и т.д.). Развитие микроэлектроники (освоение ИС, БИС, СБИС), появление типовых архитектурных решений для ЭС различных типов, а также ужесточение требований к срокам и стоимости их проектирования и изготовления, привели к тому, что основным в настоящее время считается нисходящее проектирование. Поэтому дальнейшее рассмотрение в большей степени относится к этому принципу. С точки зрения решаемых задач иногда выделяют внешнее и внутреннее проектирование. Внешнее проектирование включает в себя определение технических и других требований к разрабатываемой системе. Внутреннее проектирование определяет технико- экономические способы реализации этих требований и состоит из следующих этапов: - системное (или архитектурное) проектирование; - схемотехническое (или логическое) проектирование; - конструкторское (или техническое) проектирование. Системное проектирование включает в себя выбор архитектуры проектируемой системы (совокупности составных частей, устройств, блоков, их входов и выходов, связей между блоками), а также проверку правильности взаимодействия выбранных блоков между собой и с внешней средой в различных режимах работы ЭС. Критерии оптимальности архитектуры электронной системы могут быть весьма разными и зависят от ее типа и области применения ЭС (ЭВМ, радиолокационные системы и т.д.). Логическое проектирование предусматривает разработку схем системы в целом и ее составных частей (устройств, блоков и т.д.), с той или иной степенью подробности описывающих их структуру. При этом выбирают элементную базу иоптимизируют структуру и параметры подсистем. Конечным результатом логического проектирования является разработка функциональных, электрических принципиальных и др. схем. Одними из задач этого этапа являются также обоснование методики проведения испытаний, выбор состава измерительных средств и разработка нестандартной контрольно-измерительной аппаратуры. При техническом проектировании (конструировании) выбирается структура пространственных, энергетических и временных взаимосвязей частей конструкции, связей с окружающей средой и объектами, производится компоновка функциональных элементов в модули, их размещение в несущих конструкциях, трассировка печатных плат, определяются материалы и виды обработки, устанавливаются количественные нормы (для связей, материалов и обработок), по которым можно изготовить изделие, соответствующее заданным требованиям. Взаимосвязи в конструкциях ЭС могут иметь различную природу, чаще всего электрическую, оптическую, тепловую и механическую. Конечным итогом процесса конструирования является комплект КД, отображающий всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие. Системный подход к проектированию ЭС Оптимальное решение задачи проектирования возможно лишь на основе всестороннего, целостного рассмотрения проектируемой системы и ее развития (изменения) в процессе взаимодействия с окружающей средой. Системный подход предполагает общую оптимизацию процессов проектирования, изготовления, эксплуатации и утилизации, отдельные составные части которых могут и не быть оптимальными. В основе системного подхода к проектированию ЭС лежат следующие основные положения (принципы): 1. Учет всех этапов жизненного цикла разрабатываемой системы. 2. Учет истории и особенно перспектив развития систем данно- го и близких классов. Разрабатываемая система не должна быстро морально состариться. 3. Всестороннее рассмотрение взаимодействия системы с внешней средой. Основными видами такого взаимодействия являются: — взаимодействие с природой и обществом в целом (учет экологических, экономических, социальных, политических, военных и других факторов); — обмен полезной информацией — получение (извлечение) ивы- дача ее; — обмен энергией и веществом; — внешние воздействия на систему (изменение температуры, влажности, давления, механические нагрузки, радиация, помехи и т. д.); — взаимодействие с другими системами (входящими в общую систему более высокого иерархического уровня) в процессе решения общей задачи. 4. Учет основных видов взаимодействия внутри системы (между ее частями): функционального, конструктивного, динамического, информационного, энергетического и др. 5. Учет взаимодействия между элементной базой и системотехникой. Развитие элементной базы вызывает развитие системотехники (появление новых принципов построения систем и улучшение их показателей качества), в свою очередь, развитие системотехники предъявляет новые требования к элементной базе и стимулирует ее развитие. 6. Учет возможности изменения исходных данных и даже ре- шаемой задачи в процессе проектирования, производства и эксплуатации системы. Отсюда вытекает необходимость: — вариации исходных данных (включая критерий качества) в процессе проектирования для оценки степени их критичности и получения более надежных результатов проектирования; — обеспечения возможно большей универсальности применения проектируемой системы, чтобы при изъятии или добавления некоторых блоков система была пригодной для решения новых (других) задач. 7. Выделение главных показателей качества, подлежащих улучшению в первую очередь. Стремление улучшить возможно большее число показателей качества (особенно на ранних этапах проектирования) может привести к потере лучшего решения, не говоря уже об излишнем увеличении длительности проектирования. В большинстве практических задач к главным относят показатели точности, надежности, вычислительные и другие мощности, пропускную способность, устойчивость к внешним воздействиям, массу (объем) и стоимость. 8. Сочетание принципов композиции, декомпозиции и иерар- хичности. Сложные электронные системы могут содержать десятки тысяч или даже миллионы элементов. Очевидно, что невозможно, даже с помощью самых совершенных ЭВМ, найти оптимальный (единственный) вариант построения системы. На практике обычно рассматривается несколько вариантов, удовлетворяющих требованиям ТЗ, и среди них отбирается наилучший. Композиция элементов заключается в их объединении в более простые составные части (узлы, блоки, устройства, подсистемы). Такие составные части легче подвергаются оптимизации, в результате чего появляются типовые унифицированные модули (ИС, БИС, модули памяти, блоки питания, устройства отображения, ввода – вывода информации и т.д.). Сложную электронную систему обычно не удается представить в виде единого модуля (т.е. сначала создать для нее общую электрическую принципиальную схему, как это предполагается при восходящем проектировании). Поэтому систему разбивают на ряд подсистем, т.е. выполняют декомпозицию. Входящие устройств (подсистемы) могут быть покупными, либо их разработка может быть поручена специализированным предприятиям. В результате композиции и декомпозиции систему разбивают на ряд иерархических уровней, каждый из которых может содержать ряд частей (подсистем, устройств, блоков и т. д.) желательнов виде типовых унифицированных модулей. Нередки ситуации, когда среди освоенных таких модулей не оказывается, а узлы, собранные из имеющихся, не удовлетворяют по массогабаритным или иным характеристикам. В этих случаях обычно принимается решение о собственной разработке модулей с необходимыми параметрами, либо их разработку также поручают смежным предприятиям по отдельным ТЗ. Сочетание композиции, декомпозиции и иерархичности позволяет существенно упростить не только проектирование системы, но и ее производство, эксплуатацию и утилизацию. Однако при разбивке системы на подсистемы (устройства, блоки) необходимо формулировать исходные данные для проектирования каждой подсистемы так, чтобы они достаточно полно и правильно учитывали все основные виды взаимодействия между подсистемами впроцессе выполнения системой поставленной перед нею задачи. Особое внимание при этом следует уделять обоснованию критерия качества каждой подсистемы. В противном случае подсистема, оптимальная в смысле ее критерия качества, может оказаться далеко не оптимальной или вообще непригодной с точки зрения критерия качества системы в целом. 9. Вскрытие основных технических противоречий, препятствую- щих улучшению качества системы и ускорению процесса ее разра- ботки, а также отыскивание приемов их преодоления. Правильное сочетание различных методов проектирования, в первую очередь математических, эвристических и экспериментальных 10. Обеспечение в процессе проектирования должного взаимодействия специалистов различных уровней и профилей. Лекция 5 НАДЕЖНОСТЬ РЭА В процессе эксплуатации ЭС могут находиться в работоспособном или неработоспособном состоянии. Переход в неработоспособное состояние обычно происходит по причине отказа одного или нескольких элементов, программного обеспечения и т.д. Отказы подразделяют на: внезапный и постепенный, явный и скрытый, зависимый и независи- мый, конструктивный, производственный, эксплуатационный и т.д. ЭС могут быть обслуживаемыми и необслуживаемыми, восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми, ремонтируемыми или неремонтируемыми. Все эти определения дают качественную характеристику изделия. В ТЗ задаются количественные показатели для конкретных эксплуатационных условий, которые подлежат расчету. Поскольку отказ - событие случайное, то все оценки надежности носят вероятностный характер. Для количественной оценки надежности чаще всего используют функцию интенсивности отказов (t ), часто называемой – характеристикой. Интенсивность отказов (t ) является критерием, наиболее полно определяющим надежность неремонтируемых ЭС, а также составляющих их элементов и компонентов (резисторов, конденсаторов, ИС, печатных плат, соединений сваркой, пайкой и т.д.). Идеализированный вариант функции (t ) приведен на рис. 5.1. Область 1 называют временем приработки. Объекты, претерпевшие отказы на этом участке, как правило, имеют недостаточную электрическую и механическую прочность. Область 2, для которой (t ) ≈ и имеет минимальное значение, соответствует нормальному периоду работы ЭС. В области 3 интенсивность отказов растет, что обусловлено старением материалов и износом деталей. Все оценки надежности выполняются для периода нормальной эксплуатации, когда надежность постоянна или стационарна. Период приработки изучается отдельно как нестационарный процесс, и этот период должен быть исключен до начала эксплуатации (путем введения тренировки). Стационарный участок нормальной эксплуатации обычно описывается экспоненциальным распределением с постоянным параметром Значения являются справочными (например, в настоящее время для ИС в керамическом корпусе = 10 –8 ... 10 –9 , 1/ч, а в пластмассовом - 10 –7 ... 10 –8 , 1/ч) и используются для расчетов Рис. 5.1. График функции (t) прочих характеристик надежности, например таких, как вероятность безотказной работы P(t) и средняя наработка на отказ T ср : Справочные значения часто используют с повышающим коэффициентом k э , учитывающим режим работы и сложность условий эксплуатации ЭС. Оценка надежности многоэлементных ЭС производится обычно при следующих допущениях: - отказы независимы; - с точки зрения надежности элементы (ЭРЭ, ИС, паяные или сварные соединения и т.д.) соединены последовательно, т.е. выход из строя любого элемента приводит к отказу изделия в целом; - закон распределения экспоненциальный. Тогда для ЭС в целом суммарная интенсивность отказов будет равна: где N – число последовательно соединенных элементов, а i и n i – интенсивность отказов и количество элементов i -го типа. Средняя наработка на отказ для этого случая T ср = 1/ Если расчеты показывают недостаточную надежность, то принимают меры для ее повышения. Основные способы повышения надежности ЭС: использование элементов и компонентов с более высокими показателями надежности, снижение влияния внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, снижение электрической и механической нагрузки на элементы, использование резервирования. В последнем случае надежность повышается за счет использования избыточных элементов и компонентов. Для ремонтируемых ЭС обычно учитывают следующие требования: 1) изделия должны иметь встроенную систему контроля, позволяющую локализовать неисправность до сменной части; 2) необходимо разработать и изготовить комплект запасных инструментов и принадлежностей (ЗИП), включающий в себя конструктивные модули для замены; 3) конструкция должна допускать быструю замену узлов без применения пайки; 4) при замене узлов не должно быть подгоночных, регулировочных или подстроечных операций; 5) организовать систему технического обслуживания применительно к особенностям объекта эксплуатации и квалификации операторов. Влияние условий эксплуатации на функционирование ЭС Свойства ЭС полностью проявляются в реальных условиях эксплуатации. Снижение надежности функционирования ЭС возможно под влиянием двух групп факторов: субъективных (к ним относятся конструкторские, технологические и эксплуатационные ошибки и недоработки) и объективных (к ним относятся внешние воздействия и собственные дестабилизирующие факторы). При длительной эксплуатации происходит также физический износ деталей и протекают необратимые процессы старения материалов. К внешним воздействиям относят: механические, климатические и радиационные. К собственным дестабилизирующим факторам относят взаимное влияние электрических, магнитных и тепловым полей, создаваемых элементами ЭС, а также собственные вибрации, вызываемые работающими электромеханическими устройствами электронных систем. Схема воздействия дестабилизирующих факторов: воздействие фактора → изменение параметров элементов (ФЭ, ЛС, КЭ) → изменение параметров (состояния) ЭС. Механические воздействия подразделяются на статические и динамические. Из них наибольшую опасность представляют динамические механические воздействия, включающие вибрации, удары, линейные ускорения, акустические удары. Количественно эти виды воздействий характеризуются диапазоном частот колебаний, а также их амплитудой, ускорением, временем действия. Также часто используют коэффициент перегрузки n – величину, кратную ускорению свободного падения g. В процессе транспортирования и эксплуатации любое ЭС подвергается тому или иному виду механических воздействий (а порой и нескольким). Вибрации представляют собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником колебаний. Каждая точка конструкции характеризуется своей собственной частотой колебаний. В тех точках, в которых частота собственных колебаний приближается к частоте внешнего источника, возникает явление механического резонанса, приводящего к разрушениям. Поэтому таких ситуаций следует избегать. Вибрации характеризуются частотой, амплитудой и ускорением. Удары подразделяются на одиночные и многократные и характеризуются длительностью ударного импульса, перемещением соударяющихся тел, ускорением. В момент удара происходит колебание системы на вынужденной частоте, определяемой параметрами воздействия, а после него – на собственной частоте конструкции. Линейные ускорения характеризуются ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия. Акустические шумы проявляются в транспортируемых ЭС, устанавливаемых вблизи работающих двигателей (ракет, самолетов, кораблей и т.д.). Характеризуются давлением звука, мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот. Под воздействием вибраций и ударных нагрузок в элементах ЭС возникают статические и динамические деформации (нарушение герметичности, обрыв монтажных связей, отрыв навесных компонентов, разрушение хрупких материалов и т.д.), а также изменения параметров ФЭ (изменение вольт-амперных характеристик, снижение чувствительности и смещение частотных диапазонов, короткие замыкания и т.д.). Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭС через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его направленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются своего рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элементы конструкции. Поэтому в некоторых случаях его действие может быть более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок. Климатические воздействия определяются климатической зоной, в которой ЭС эксплуатируется. К климатическим факторам относят: воздействие температуры может изменить параметры как конструкционных материалов (тепловое старение материалов), так и электрические характеристики ФЭ и ЛС; тепловые удары способствуют образованию микротрещин конструкционных материалов и появлению прочих дефектов; влажность окружающей среды представляет собой один из наиболее агрессивных для ЭС внешних факторов; влага содержится в любой атмосфере и ее воздействие проявляется в ускорении коррозии металлических деталей и покрытий, снижению электроизоляционных свойств диэлектриков (малый размер молекул воды – 2,7х10 -10 м - позволяет ей проникать в межмолекулярные промежутки полимеров, керамики и других материалов), изменению характеристик ФЭ и ЛС ; наличие во влаге растворенных химических соединений (атмосфера цехов химических производств, тропический морской климат) значительно усиливают ее вредное воздействие на ЭС; пониженное и повышенное давление влияют на отвод тепла, сопротивление изоляции воздуха, оказывают механическое воздействие на элементы ЭС и т.д.; грибковые образования (плесень) являются источником органических кислот, способствующих коррозии и ухудшению диэлектрических свойств; пыль и песок оседают на поверхности элементов ЭС; в состав пыли входят органические и минеральные соединения; действие органических компонентов аналогично действию плесени, а минеральные частицы, как и песок, могут вывести из строя электромеханические устройства (устройства с движущимися частями); солнечное облучение, состоящее в основном из волн ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра, отрицательно действует на некоторые материалы (полимеры, лакокрасочные покрытия и т.д.); насекомые и грызуны также могут отрицательно влиять на функционирование ЭС; многих насекомых привлекает тепло и их останки служат питательной средой для плесени; грызуны (крысы, мыши) по-вреждают кабели и провода в пластмассовой и резиновой изоляции. Действие некоторых климатических факторов может усиливать действие других. Например, с ростом температуры активность влаги также возрастает, пыль и песок поглощают влагу, усиливая ее воздействие и т.д. К радиационным факторам относят: космическую радиацию, ядерную радиацию (от реакторов, атомных двигателей, радиационно- опасных ситуаций), облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- и др. частиц. Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы, а наименее – полупроводниковые приборы и ИС, а также некоторые конденсаторы (с органическим диэлектриком и электролитические). |