UP-2-2 (Уч. пособие к лаб. раб. по ОКТРЭС)

Р а б о т а 2

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ БЛОКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО РЭС НА СТАДИИ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Цель работы - изучение методики разработки конструкций блока вычислительного устройства на стадии эскизного проектирования и выбор оптимального варианта конструкции по критерию комплексной оценки качества.

Краткие теоретические сведения

Целью разработки эскизного проекта является обоснование принятых структурных, конструктивных и других технических решений, позволяющих составить представление о возможности получения конструкции блока вычислительного устройства с параметрами, соответствующими техническому заданию.

На стадии эскизного проектирования производится:

1. разработка нескольких возможных вариантов решения поставленной задачи;

2. предварительный расчет надежности каждого из рассматриваемых вариантов микроэлектронного устройства;

3. принимается решение о необходимости и степени использования средств автоматизации проектирования и изготовления изделия;

4. выбирается оптимальный вариант, подлежащий дальнейшей разработке.

Основной задачей на данной стадии проектирования, предопределяющей качественные характеристики проектируемого изделия, является выбор оптимального варианта.

Каждый вариант конструкции микроэлектронные устройства характеризуется набором материальных и функциональных параметров, в который могут входить: масса, габаритные размеры, объём, надёжность, энергопотребление, ремонтопригодность, стоимость, вибропрочность, влагостойкость и др. Эти параметры определяют степень пригодности конструкции к использованию в заданных условиях эксплуатации.

Эффективность варианта конструкции оценивается, как правило, по комплексному показателю качества конструкции, связанному с совокупностью его параметров. Обычно выражение комплексного показателя качества конструкции записывается в виде линейной функции, зависящей от материальных и функциональных показателей вида

К = f_{m m} + f_{v v} + f_{p p}+ f_{c c}+ f_{λ λ}+.....,

где f_m , f_v , ... ,f_λ - коэффициенты значимости, зависящие от назначения и условий эксплуатации аппаратуры, определяемые методом экспертных оценок; _m , _v , _p , _λ - материальные показатели аппаратуры: масса, объём, потребляемая мощность, стоимость, надёжность и т.д.

Значение комплексного показателя рассчитывается для каждого варианта компоновочной схемы по выражению

K _j = f_i ^*_i

где j -номер варианта компоновочной схемы блока ; f_i весовые коэффициенты, определяющие значимость функциональных и материальных параметров блока; ^*_i - нормированные значения функциональных и материальных показателей блока; n -число функциональных и материальных параметров.

Наиболее эффективным является вариант, обладающий минимальным (максимальным) комплексным показателем качества.

Для расчёта K_j необходимо провести выбор значимых функциональных и материальных параметров (например, массы _m, объема _v, вероятности безотказной работы _ВБР, стоимости _c) и:

1. записать исходную матрицу показателей для каждого варианта в виде табл. 2.1

Таблица 2.1

Номер варианта конструкции (j)	Параметры
	mj	vj	ВБРj	cj
1	m1	v1	ВБР1	c1
2	m2	v2	ВБР2	c2
3	m3	v3	ВБР3	c3

2) провести выравнивание влияния материальных показателей на качество конструкции, состоящее в замене на обратные величины показателей, воздействие которых на качество конструкции блока противоположно большинству показателей (табл. 2.2). При сравнении по K_min уменьшение _m , _v , _c приводит к повышению качества конструкции, т. Е. уменьшению массы, объёма, стоимости, в то же время уменьшение _ВБР приводит к снижению надежности. В данном случае выравниванию подлежит только значение _ВБР, которое пересчитывают по формуле

_ij = 1/_ij

3) записать матрицу выровненных значений параметров _ij :

Таблица 2.2

Номер варианта конструкции	Параметры
	mj	vj	 ВБР j	cj
1	m1	v1	 ВБР 1	c1
2	m2	v2	 ВБР 2	c2
3	m3	v3	 ВБР 3	c3

4) произвести нормирование каждого параметра приведённой матрицы относительно максимального его значения по формуле

_ij^* = _ij/_ijmax

Матрица нормированных параметров для случая _m3, _v2,  _{ВБР j} и _c1, имеющих максимальные значения, примет вид (табл. 2.3)

Таблица 2.3

Номер варианта конструкции	Параметры
	mj	vj	 ВБР j	cj
1	m1/m3	v1/v2		1
2	m2/m3	1	 ВБР 2/ ВБР 1	c2/c1
3	1	v3/v2	 ВБР 3/ ВБР 1	c3/c1

Значения весовых коэффициентов для каждого вида аппаратуры задаются преподавателем, либо принимаются и обосновываются студентом.

Комплексный показатель K_j определяется по каждому j-му варианту, после чего выбирается оптимальный вариант, имеющий максимальное (минимальное) значение.

Наиболее существенное влияние на показатели качества конструкции оказывают выбор элементной базы и вариант компоновки комплектующих элементов и узлов радиоэлектронного устройства в заданном объёме.

Определились два основных направления компоновки РЭС:

1. с использованием корпусных интегральных схем (ИС), микросборок (МСБ) и электрорадиоизделий (ЭРЭ) на печатных платах (ПП) на основе стандартизованных базовых несущих конструкций (БНК), габаритные, установочные и присоединительные размеры которых обеспечивают размерную взаимозаменяемость аппаратуры;

2. компоновка РЭА с использованием бескорпусных МСБ на металлических основаниях.

Первое направление использует два основных варианта расположения функциональных ячеек (ФЯ) в блоке: разъёмное и книжное.

В разъёмной конструкции блоков ФЯ с помощью электрических соединителей (разъёмов) устанавливаются на объединительной плате (основании) и закрепляются невыпадающими винтами в профиле каркаса.

Возможна установка ФЯ по направляющим и закрепление их общей планкой. Объединительная плата служит для электрической коммутации ФЯ в блоке. Она может располагаться в нижней или боковой плоскостях параллельно или перпендикулярно лицевой панели блока.

Достоинство разъёмной компоновки - простота и высокая ремонтопригодность. Типовым элементом замены является ФЯ.

В блоках книжной конструкции ФЯ соединяются между собой по одной из сторон с помощью шарнира. Такая компоновка ФЯ позволяет раскрывать блок, как книгу с вертикальной или горизонтальной осью раскрытия, без отсоединения и разделения электрической коммутации ячеек. Для этого электрическое соединение ячеек выполняется со стороны их шарнирного механического соединения плоскими мягкими кабелями или гибким печатным монтажом.

Книжные варианты компоновки блоков позволяют обеспечить высокую плотность заполнения конструкции, свободный доступ к микросхемам и другим ЭРЭ, а также к монтажу в блоке, находящемся во включенном состоянии, т.е. также обеспечивают высокую ремонтопригодность.

Возможные варианты расположения ФЯ, элементов электромонтажа, деталей корпуса и т.д. в блоке представлены на рис 2.1.

В блоках РЭС при различном расположении ФЯ условно можно выделить составляющие внутреннего объёма: V₁ - объём пакета ФЯ; V₂ - объём, занимаемый электрическими соединителями и межъячеечным монтажом;V₃ - элементами лицевой панели и соединительным монтажом установочных элементов ; V_4­­ - электрическим соединителем и монтажом блока с устройством.

Таким образом, внутренний объём блока V_бл=V₁+V₂+V₃+V₄. Объём V₁ определяется объёмом ФЯ, их количеством - n_фя и шагом установки ФЯ в блоке H_я :V₁ =V_фя·n_фя ; V_фя=h_п· b_п· Н_я . Здесь b_п - размер ФЯ по оси Х с учётом конструкции элементов крепления в блоке; h_п - размер ФЯ по оси Y.