Тема 1-1
.pdfТема 1 Конструкторское обеспечение производства ЭВМ
Электронное средство – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы преобразования электромагнитной энергии.
Под термином «электронная аппаратура» подразумевается любой тип
радиоэлектронной, электронно-вычислительной и управляющей аппаратуры, построенной с использованием микроэлектронной элементной базы.
В современной учебной и научно-технической литературе широко применяются термины «радиоэлектронная аппаратура – РЭА», «компьютер», «электронная вычислительная машина – ЭВМ», «электронно-вычислительная аппаратура – ЭВА», «электронновычисли¬тельные средства – ЭВС», «радиоэлектронные средства – РЭС», «биомедицинская аппаратура» и др. Принципиальных различий между этими терминами с точки зрения конструкторско-технологи-ческого проектирования нет. Поэтому можно использовать термин «электронные средства – ЭС».
С кибернетической точки зрения ЭС (РЭС) можно представить в виде «черного ящика» (рис. 1.1), имеющего у1, у2 , ... , уn – выходные параметры (например, для приемника это –
выходная мощность, диапазон частот, чувствительность, масса, габаритные размеры, стоимость, показатели надежности), в общем случае это основные свойства РЭС; x1, x2, ... , xm – первичные
параметры (параметры элементов РЭС: величины сопротивлений резисторов, параметры транзисторов, микропроцессоров, конденсаторов, масса электрорадиоэлементов – ЭРЭ, их
габаритные размеры), влияющие на выходные параметры; е , е , ... , е |
|
– входные параметры |
|||
1 |
2 |
l |
|
|
|
(например, уровень входного сигнала, напряжение питания); z , z |
2 |
, ... , z |
h |
– параметры внешних |
|
1 |
|
|
|
воздействий (температура, влажность, параметры механических воздействий, колебания напряжения в сети).
|
z1 |
z2 |
… |
zk |
|
|
e1 |
|
|
|
y1 |
|
|
|
x1 , x2 , …, xm |
|
||||
e2 |
|
|
|
y2 |
|
|
Рисунок 1.1 – Кибернетическая модель ЭС «черный ящик» |
|
|||||
Такое представление ЭС дает возможность установить связь между выходными и |
||||||
входными параметрами, внешними воздействиями в виде «функции связи»: |
|
|||||
y j |
xi , |
e f , |
zh , |
(1.1) |
||
где j = 1, 2, ... , n; i = 1, 2, ... , m, f = 1, 2, ... , l, |
h = 1, 2, ... , k. |
|
1.1 Организация и этапы разработки и постановки на производство
Согласно действующим в РФ стандартам, можно выделить следующие стадии (и составляющие) жизненного цикла ЭС:
1.Исследование и обоснование разработки (научно-исследовательские работы (НИР), проект, маркетинговые исследования).
2.Разработка (проектирование, опытно-конструкторские работы (ОКР)).
3.Производство (постановка на производство, единичное повторяющееся, серийное, массовое производство).
4.Поставка.
5.Эксплуатация (применение, хранение).
6.Ремонт (для ремонтируемых изделий).
7.Обеспечение эксплуатации и ремонта предприятиями промышленности.
8.Снятие с производства, ремонта, эксплуатации.
9.Утилизация.
Весь процесс разработки ЭС состоит из двух этапов: научно-исследовательская работа (НИР) и опытно-конструкторская работа (ОКР) (рис. 1.2).
Рисунок 1.2 – Стадии разработки ЭС
На этапе НИР осуществляется разработка ТЗ и технического предложения. Основанием для выполнения ОКР является ТЗ, утвержденное заказчиком, и договор
(контракт) с ним. ТЗ является основным исходным документом для разработки продукции. Оно должно содержать технико-экономические требования к продукции, определяющие ее потребительские свойства и эффективность применения, перечень документов, требующих совместного рассмотрения, порядок сдачи и приемки результатов разработки. Конкретное содержание ТЗ определяют заказчик и разработчик, а при инициативной разработке - разработчик.
ТЗ на разработку в общем случае может состоять из следующих разделов:
1.Наименование и область использования продукции.
2.Основание для разработки.
3.Цель и назначение разработки.
4.Источники разработки.
5.Технические требования.
6.Экономические требования.
7.Стадии и этапы разработки.
8.Порядок контроля и приемки продукции.
9.Примечания.
На любом этапе разработки продукции при согласии заказчика и разработчика в ТЗ могут быть внесены изменения и дополнения, не нарушающие условия выполнения обязательных требований.
Взаимосвязь стадий разработки КД и этапов создания ЭС показана в табл. 1.1 (ГОСТ
2.10368).
Таблица 1.1 – Стадии разработки КД
Стадия разработки КД |
Этапы выполнения работ |
Обязательные документы |
Техническое |
Объем работ, проводимых на стадии |
1. Ведомость технического |
предложение |
технического предложения, установлен |
предложения, |
|
ГОСТ 2.118–73. |
|
Определение |
по |
ГОСТ |
1. Подбор материалов. |
|
|
|
2. Пояснительная записка – |
|||||
2.103–68 |
|
|
|
2. |
Разработка |
технического |
ПЗ. |
|
||||
|
|
|
|
предложения |
с |
|
присвоением |
|
|
|||
|
|
|
|
документам литеры «П». |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
3. |
Рассмотрение |
и |
утверждение |
|
|
|||
|
|
|
|
технического предложения. |
|
|
|
|||||
Эскизный проект |
|
Объем работ, проводимых на стадии |
1. Ведомость эскизного |
|||||||||
Определение |
по |
ГОСТ |
эскизного проекта, установлен ГОСТ |
проекта, |
|
|||||||
2.103–68. |
|
|
|
2.119–73. |
|
|
|
|
|
2. Пояснительная записка – |
||
|
|
|
|
1. Разработка эскизного проекта с |
ПЗ. |
|
||||||
|
|
|
|
присвоением документам литеры «Э». |
|
|
||||||
|
|
|
|
2. Изготовление и испытание макетов |
|
|
||||||
|
|
|
|
(при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
необходимости). |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
3. |
Рассмотрение |
и |
утверждение |
|
|
|||
|
|
|
|
эскизного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
проекта. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Технический проект |
Объем работ, проводимых на стадии |
1. Ведомость технического |
||||||||||
Определение |
по |
ГОСТ |
технического |
проекта, |
установлен |
проекта, |
|
|||||
2.103–68. |
|
|
|
ГОСТ 2.120–73. |
|
|
|
2. Пояснительная записка – |
||||
|
|
|
|
1. Разработка технического проекта с |
ПЗ, |
|
||||||
|
|
|
|
присвоением документам литеры «Т». |
3. Чертеж общего вида – |
|||||||
|
|
|
|
2. Изготовление и испытание макетов |
ВО. |
|
||||||
|
|
|
|
(при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
необходимости). |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
3. |
Рассмотрение |
и |
утверждение |
|
|
|||
|
|
|
|
технического проекта. |
|
|
|
|
|
|||
Рабочая |
|
|
|
Объем работ, проводимых на стадии |
1. Чертеж детали, |
|||||||
конструкторская |
|
рабочей |
|
|
конструкторской |
2. Сборочный чертеж, |
||||||
документация: |
|
документации, установлен ГОСТ 2.121– |
3. Спецификация. |
|||||||||
Определение по ГОСТ |
73. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2.103–68. |
|
|
|
1. Разработка КД, предназначенной для |
Литера КД: |
|
||||||
|
|
|
|
изготовления |
и испытания опытного |
–предварительного |
||||||
|
|
|
|
образца |
(опытной |
партии), |
без |
испытания – |
«О»; |
|||
|
|
|
|
присвоения литеры. |
|
|
|
– приемочных испытаний – |
||||
а) опытного |
образца |
|
|
|
|
|
|
|
«О1»; |
|
||
(опытной |
|
партии) |
2а. Изготовление и предварительные |
– повторных |
приемочных |
|||||||
изделия, |
|
|
|
испытания опытного образца (опытной |
испытаний – |
«О2»; |
||||||
предназначенного |
для |
партии). |
|
|
|
|
|
– испытаний установочной |
||||
серийного |
(массового) |
3а. Корректировка КД по результатам |
серии – «А». |
|
||||||||
или |
единичного |
изготовления |
и |
предварительных |
|
|
||||||
производства |
|
|
испытаний опытного образца (опытной |
|
|
|||||||
|
|
|
|
партии) с присвоением документам |
|
|
||||||
|
|
|
|
литеры «О». |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
4а. Приемочные испытания опытного |
|
|
||||||
|
|
|
|
образца (опытной партии). |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
5а. Корректировка КД по результатам |
|
|
||||||
|
|
|
|
приемочных |
испытаний |
опытного |
|
|
||||
|
|
|
|
образца |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(опытной партии) с присвоением |
|
|
||||||
б) |
|
серийного |
документам литеры «О1». |
|
|
|
|
|||||
(массового) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
производства |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2б. Изготовление и испытание установочной серии по КД с литерой
«О1».
3б. Корректировка КД по результатам изготовления и испытания установочной серии, а также оснащения технологического процесса изготовления изделия, с присвоением документам литеры «А».
Разработка документации, изготовление и испытания опытных образцов продукции
В разработке электронных систем и их частей принимают участие инженеры различных специальностей:
1)инженеры-электроники-системотехники;
2)инженеры-электроники-схемотехники;
3)инженеры-конструкторы (включая инженеров-дизайнеров);
4)инженеры-технологи;
5)инженеры-математики (или прикладники-математики);
6)инженеры-экономисты и плановики и др.
Этих специалистов условно принято делить на три основные группы: разработчики, конструкторы, технологи.
Разработчики определяют идеологию построения системы, ее структуру, а также устанавливают функции входящих устройств, обосновывают и выбирают элементную базу, разрабатывают логическую и схемную реализацию ЭС, математическое обеспечение.
Конструкторы осуществляют конструирование системы в целом и ее составных частей (сборочных единиц, деталей) на основании схемотехнических решений (электрических принципиальных и других схем), принятых разработчиками.
Технологи разрабатывают технологические процессы изготовления компонентов (деталей, узлов) и сборки ЭС, а также необходимую для производства оснастку и специальное технологическое оборудование.
1.2 Условия эксплуатации аппаратуры
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);
–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,
–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.
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 функционального элемента ФЭ (изменение вольт-амперных характеристик, снижение чувствительности и смещение частотных диапазонов, короткие замыкания и т.д.). Ударновибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭС через их точки крепления.
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. 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) повреждают 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.
Нормальными климатическими условиями являются: температура +25±10 °С, относительная влажность 45...80 %, атмосферное давление 83-106 кПа (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в окружающей атмосфере.
К радиационным факторам относят:
–космическую радиацию,
–ядерную радиацию (от реакторов, атомных двигателей, радиационноопасных ситуаций),
–облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- и др. частиц.
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭА.
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Наименьшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электротехнические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными. Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмолекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В результате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими.
Наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов, транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается.
1.3 Классификация аппаратуры по условиям эксплуатации
По виду объекта установки РЭА можно разделить на три группы: стационарные, транспортируемые и портативные, техническое регламентирование которых приведено на рис.1.3.
Рисунок 1.3 – Классификация РЕА по объектам установки и эксплуатации
Стационарная РЭА – это аппаратура, эксплуатируемая в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, помещениях с повышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах. Условия эксплуатации и транспортирования такой аппаратуры характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50... +65 °С) температур, влажностью до 90...98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и соляного тумана с дисперсностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м3.
Транспортируемая РЭА – это аппаратура, устанавливаемая и эксплуатируемая на
автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, на судах различных классов, на борту самолетов и вертолетов. Специфика работы этого вида аппаратуры предопределяет повышенное воздействие механических факторов. Каждый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики. Для предупреждения повреждения аппаратуры необходимо, чтобы вся она и отдельные ее части имели собственные частоты колебаний вне диапазона частот вибрации транспортного средства.
Портативная РЭА включает аппаратуру и специализированные вычислители, находящиеся в распоряжении геолога, геофизика, топографа, строителя, и др. Сюда же можно отнести и переносную радиоприемную и передающую аппаратуру. Условия работы портативной РЭА должны соответствовать зоне комфорта человека, которая характеризуется температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ, влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м.
1.4 Требования, предъявляемые к конструкции аппаратуры
Вновь разрабатываемая РЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивнотехнологическим, эксплуатационным, надежностным и экономическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу.
Тактико-технические требования. Эти требования обычно содержатся в техническом задании на аппаратуру и включают в себя такие характеристики, как вид измеряемой физической величины, диапазон измерений, точность измерений, быстродействие, объем памяти для регистрации данных, точность выполнения вычислительных операций и т. д.
Восновном данные требования удовлетворяются на ранних этапах разработки аппаратуры, когда определяются состав изделия, его структура, математическое обеспечение, основные требования к отдельным устройствам.
Конструктивно-технологические требования. К этим требованиям относят: обеспечение функционально-узлового принципа построения конструкции РЭА, технологичность, минимальную номенклатуру комплектующих изделий, минимальные габариты и массу, меры защиты от воздействия климатических и механических факторов, ремонтоспособность.
Функционально-узловой принцип конструирования заключается в разбиении принципиальной схемы изделия на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно-технологических единиц. Применение этого принципа конструирования позволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктивных единиц, упростить их сборку, наладку и ремонт.
Технологичность конструкции в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна быть разработана с учетом автономного, раздельного изготовления и наладки основных элементов, узлов, блоков. Конструкция РЭА тем более технологична, чем меньше доводочных и регулировочных операций приходится выполнять после окончательной сборки изделий.
Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности воспроизведения в условиях производства. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны не только с точки зрения затрат материальных ресурсов и рабочей силы, но и с точки зрения сокращения сроков освоения в производстве. Для них обычно характерны взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструментальная доступность элементов и узлов.
Втехнологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы. Аппаратура считается также более технологичной, если в ней предусматривается минимальная номенклатура комплектующих изделий, материалов, полуфабрикатов.
Необходимость разработки для изделий новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов определяется технико-экономическим эффектом их использования в данной аппаратуре.
Конструкция РЭА должна иметь минимальные габариты и массу, что особенно важно для бортовой аппаратуры, где ее объем и масса ограничиваются размерами и мощностью летательного аппарата, и для переносных (носимых) приборов, предназначенных для
производства измерений в полевых условиях, в шахтах и горных выработках.
В конструкции аппаратуры необходимо предусматривать меры защиты от воздействия климатических и механических факторов, состав и значение которых определяются объектом, где будет эксплуатироваться разрабатываемая РЭА.
К числу важных характеристик конструкции РЭА следует также отнести ремонтоспособность – качество конструкции к восстановлению работоспособности и поддержанию заданной долговечности. Для повышения ремонтоспособности в конструкции предусматривают:
а) доступность ко всем конструктивным элементам для осмотра и замены без предварительного удаления других элементов;
б) наличие контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры при настройке и контроле за работой аппаратуры;
в) применение быстросъемных фиксаторов и т. д.
Конструкция аппаратуры тем ремонтоспособнее, чем меньшую конструктивную единицу она позволяет оперативно заменять.
Эксплуатационные требования. К эксплуатационным требованиям относят: простоту управления и обслуживания, различные меры сигнализации опасных режимов работы (выход из строя, обрыв заземления и т. д.), наличие аппаратуры, обеспечивающей профилактический контроль и наладку конструктивных элементов (стенды, имитаторы сигналов и т. д.). В последнее время развивается направление построения систем высокой надежности и живучести, имеющих в своем составе средства самодиагностики и автореконфигурации системы.
С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обеспечения нормальной работы оператора. Важна также такая организация органов управления РЭА, которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной психологии.
Требования по надежности. Данные требования включают в себя обеспечение:
1)вероятности безотказной работы,
2)наработки на отказ,
3)среднего времени восстановления работоспособности,
4)долговечности,
5)сохраняемости.
Вероятность безотказной работы есть вероятность того, что в заданном интервале времени при заданных режимах и условиях работы в аппаратуре не произойдет ни одного отказа.
Наработкой на отказ называют среднюю продолжительность работы аппаратуры между отказами.
Среднее время восстановления работоспособности определяет среднее время на обнаружение и устранение одного отказа. Эта характеристика надежности является также важным эксплуатационным параметром.
Долговечностью прибора называют продолжительность его работы до полного износа с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Под полным износом при этом понимают состояние аппаратуры, не позволяющее ее дальнейшую эксплуатацию.
Сохраняемость аппаратуры – способность сохранять все технические характеристики после заданного срока хранения и транспортирования в определенных условиях.
Экономические требования. К экономическим требованиям относят:
1)минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия;
2)минимальную стоимость аппаратуры после освоения в производстве.
1.5 Показатели качества конструкции аппаратуры Большое разнообразие РЭА требует от разработчиков знания наборов показателей, по
которым можно сравнивать существующие модели РЭА. Важнейшую роль при этом будут играть эксплуатационные и экономические показатели. С ними непосредственно связаны параметры, характеризующие РЭА как объект конструкторско-технологической разработки. К таким
показателям следует в первую очередь отнести следующие:
Сложность конструкции ЭА:
C = K1(K2N + K3M), (1.2)
где N – число составляющих элементов, М - число соединений; Кi - масштабный и весовые коэффициенты соответственно.
Выражение (1.2) связывает число составляющих РЭА интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов, элементов коммутации с числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет габариты, массу, надежность и другие общие параметры РЭА.
Число элементов, образующих ЭА:
Ny |
Kn |
|
N = |
nji, |
(1.3) |
j 1 |
i 1 |
|
где Ny – число устройств в РЭА, Кn – число типов применяемых элементов; nji - число элементов i-го типа, входящих в j –ое устройство.
Объем РЭА:
V = VN + VC + VK + VУТ,
где VN – общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов, образующих ПЭА, VC – объем, занимаемый всеми видами соединений, VK - объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ПЭА при транспортировании и эксплуатации, VУТ – объем теплоотводящего устройства.
Коэффициент интеграции, или коэффициент использования физического объема qи = VN/V
характеризует степень использования физического объема РЭА элементами, выполняющими полезную функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяющими электрическую схему РЭА (qи всегда меньше 1 и приближается к ней с использованием больших интегральных схем).
Общая масса РЭА, определяемая как сумма масс, входящих в состав РЭА устройств: m = mN + mC + mК +mУТ.
Общая мощность потребления ЭА:
Ny
P = pj,
j 1
где pj – мощность потребления j -го устройства. Для цифровых устройств потребляемая ими мощность зависит от средней мощности потребления электронных компонентов. Известно, что 80 — 90 % мощности потребления рассеивается в виде теплоты и определяет тепловой режим РЭА и соответствующие перегревы элементов конструкции.
Общая площадь, занимаемая РЭА:
Ny
S = sj,
j 1
где sj – площадь, требуемая для эксплуатации j – устройства РЭА.
Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройства или всей ЭА):
fo = (1/2 ) K/m ,
где К - коэффициент жесткости конструкции, m - масса конструкции РЭА.
Степень герметичности конструкции ЭА, определяемая количеством газа, истекшем из определенного объема конструкции за известный отрезок времени:
D = Vo P/ сл.
где Vo – объем герметизированной части РЭА, сл – срок службы РЭА, P – избыточное давление газа в конструкции РЭА.
Вероятность безотказной работы РЭА p(t) и средняя наработка на отказ Тср -
показатели надежности ЭА (будут рассмотрены далее).
Степень унификации РЭА:
Кун = Nун/N,
где Nyн – количество унифицированных элементов, a N - общее количество примененных в
РЭА элементов.
Коэффициент автоматизации конструкторских работ:
Ка = Ма/М, где Ма – количество конструкторских работ, выполненных с применением ЭВМ, М –общее число конструкторских работ при проектировании РЭА.
Важнейшим параметром, определяющим большинство эксплуатационных, конструкторских и экономических характеристик разрабатываемой РЭА, является технологичность, общее понятие о которой будет рассмотрено отдельно.
1.6 Обеспечение надежности электронных средств
Понятие надежности. Один из основных параметров РЭА – надежность, зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Учитывая значимость современной аппаратуры в человеческой деятельности, требования к надежности аппаратуры постоянно повышаются.
Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки. Продолжительность работы РЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации, называют
ресурсом изделия.
Надежность – это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.
В любой момент времени РЭА может находиться в исправном или неисправном состоянии. Если РЭА в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием.
Неисправное состояние – это состояние РЭА, при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.
Не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭА заданных функций. Различают неисправности основные и второстепенные. Второстепенные неисправности называют дефектами. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе аппаратуры, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации РЭА.
Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной работы: безотказность, ремонтоспособность, долговечность и сохраняемость.
Наработка – продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.
Наработка на отказ - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время безотказной работы. Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.
Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.