3.3.1. Проектирование современных ЭС есть сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия электронных систем, схемы и конструкции аппаратуры и технология ее изготовления. Как часть этого общего процесса конструирование должно удовлетворять всем требованиям предъявляемым при проектировании ЭС.
Конструирование может быть реализовано различными методами. Существующие методы конструирования ЭС подразделяются на три взаимосвязанные группы (рис. 3.1):
1) по видам связей между элементами;
2) по способу выявления и организации структуры связей между элементами;
3) по степени автоматизации выявления структуры связей между элементами.
Рис. 3.1. Методы конструирования ЭС
Выбор указанных методов конструирования ЭС зависит от назначения аппаратуры и её функций, преобладающего вида связей, уровня унификации, автоматизации и т. д.
Так, например, при конструировании устройств с применением интегралных микросхем (ИС) применяют топологический метод (преобладают физические связи), функционально-модульный (в качестве функциональных модулей используются ИС), автоматизированный (размещление ИС на ПП, трассировка соединений выполняется с помощью ЭВМ). В свою очередь ИС конструируются методами топологии на базе автоматизции.
Дадим краткую характеристику сложившихся методов конструирования ЭС.
Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твердого тела.
Метод целесообразно применят для конструкций, которых должно соблюдаться точное взаимное положение деталей или обеспечиваться их точное перемещение при величинах деформации, значительно меньших погрешностей изготовления деталей.
Одной из основных черт геометрического метода является то, что при нем характер взаимосвязи двух деталей почти не зависит от погрешностей их изготовления. Свойства, которыми обладают конструкции, созданные по этому методу, весьма важны в массовом производстве, построенном на взаимозаменяемых деталях.
Машиностроительный метод.В основу этого метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается исходя их минимизации массы и допустимой прочности конструкции.
Метод целесообразно применять для конструкций с относительно большими величинами деформаций. Он нашел применение при проектировании несущих конструкций ЭС всех уровней, кинематических звеньев ФУ, а также всех видов неподвижных соединений (болты, винты, заклепки, скобы и т. д.). Возможность обеспечения механический прочности при минимальной массе, простота конструкции и высокая экономичность делают этот метод для отдельных видов конструкций ЭС, в том числе и несущих, эффективнее геометрического.
Топологический метод. В основу его положена структура физических связей между электрорадиоэлементами (ЭРЭ), т. е. представление конструктивного вида принципиальной схемы и ее геометрической (топологической) связности, независимо от ее функционального содержания.
Он используется, если нельзя применить геометрический и машиностроительный методы.
Топологический метод, в принципе, может применяться для выявления структуры любых связей, однако конкретное его содержание проявляется там, где связность элементов может быть сопоставлена с графом. Под графом в общем случае понимается графическое выражение структуры связей между элементами принципиальной схемы и элементами конструкции.
Основные черты топологического метода:
1) Сопоставление связности элементов принципиальной схемы и деталей конструкции на основе теории графов;
2) изоморфизм графов, т. е. свойство эквивалентности строения независимо от различия в геометрическом образе, которое позволяет получить множество преобразований графа, среди которых конструктору удается найти совершенно непохожее на свой прототип решение;
3) использование свойств графов для размещения элементов и ориентации их в пространстве для трассировки линий связи и средств их соединения с элементами.
Топологический метод конструирования применяется, в первую очередь, для создания пленочных ИС, печатных плат, гибких печатных соединителей, электромонтажных чертежей, реализации принципа «непрерывной схемы» в устройствах СВЧ-диапазона и т. д.
Метод проектирования моноконструкций основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания ФУ, блоков, РТУ на основе оригинальной несущей конструкции (каркасе, шасси) в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами. Длительное время конструирование ЭС велось только с использование моноконструкций, т. е. применительно к частным конкретным требованиям предъявляемым к функциональному узлу, блоку и РТУ.
Известно, что разработка моноконструкций ЭС сопряжена с многочисленными трудностями и имеет ряд недостатков, а именно: длительное время конструирования и внедрения в серийное производство, ограниченные возможности типизации и унификации, недостаточно высокая надежность, низкая степень ремонтопригодности, сложность внесения изменений в принципиальную схему без переделки конструкции, значительная стоимость разрабатываемых и изготовляемых конструкций.
Базовый метод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно законченные части. Базовый метод конструирования и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный метод) основывается на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструкторской унификации. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, ФУ, блоков).
Базовый метод является основным при проектировании современных ЭС, он имеет много преимуществ по сравнению с методами моноконструеций:
на этапе разработки:
1) позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки проведения разработки;
2) упрощает отладку и сопряжение узлов в лаборатории, так как работа ФУ определяется работой известных модулей и ИС;
3) резко упрощает конструирование и макетирование;
4) сокращает объём оригинальной КД;
5) дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции;
6) упрощает и ускоряет внесение изменений в принципиальную схему, конструкцию и КД;
на этапе производства:
1) сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры;
2) упрощает сборку, монтаж;
3) снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников;
4) снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства;
5) павышает степень специализации производства;
при эксплуатации:
1) повышает эксплуатационную надежность РЭА;
2) облегчает обслуживание;
3) улучшает ремонтопригодность аппаратуры.
Эвристический метод использует обобщённый практический опыт (коллективная мудростьь) в области конструирования ЭС и смежных отраслей. Метод является основным в практической деятельности конструктора ЭС.
Метод автоматизированного (автоматического) конструирования основан на использовании ЭВМ для решения задач компоновки ЭРЭ, трассировки межсоединений различных структурных уровней, вычерчивания чертежей и выпуска КД.
Большое разнообразие задач автоматизированного конструирования привело к разработке алгоритмов для решения однотипных задач, отличающихся точностью, малым временем выполнения, достаточным объёмом машинной памяти и т. п. Системы автоматического конструирования ЭС – это системы типа «человек-машина», они содержат комплекс технических средств (ЭВМ, координатографа, печатающие и запоминающие устройства, табло и т. д.) и математическое обеспечение, предназначенное для решения задач конструирования РЭА различного иерархического уровня. Несмотря на различие автоматизированных методов конструирования можно выделить следующие самостоятельные этапы автоматического конструирования:
1. Введение исходной информации, контроль правильности подготовки и кодировки исходных данных с входного языка на внутреннее представление.
2. Компоновка функциональной структуры устройств ЭС всех уровней на основе выбранных показателей качества, т. е. распределение множества функциональных модулей и элементов на подмножества, соответствующие конкретным устройствам различных уровней иерархии.
3. Размещение скомпонованных функциональных модулей и элементов по конструкциям устройств всех уровней, составление соответствующего технического документа, например таблицы расположения.
4. Трассировка соединений между устройствами, модулями или элементами в соответствии со схемой связей и ограничениями на прокладку, составление электромонтажной документации, контроль правильности составления документации. При изготовлении фотооригиналов или фотошаблонов автоматизированными методами рабочие чертежи утрачивают функции основного документа, необходимого для изготовления фотооригинала. В качестве основой конструкторской документации используется табличный способ представления результатов проектирования. машинные чертежи установки элементов на ПП и чертежи слоев плат при этом являются дополнительной документацией. Если соединения осуществляются с помощью станков-автоматов, то входная информация выдается на носители (перфоленты, перфокарты и т. д.) с управляющей информацией для изготовления фотошаблонов.
5. Составление сводных вторичных тестовых документов: ведомостей спецификаций, покупных изделий, ЗИП, ссылочных документов и других, устанавливаемых ЕСКД.
Для автоматизированного метода конструирования, так же как и для базового, необходим высокий уровень схемной и конструкторской унификации, так как повторяющиеся элементы схемы и детали конструкций упрощают разработку программ для ЭВМ.
