Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.
Модульний принцип конструювання, конструктивна ієрархія елементів, вузлів і пристроїв
Знизити витрати на розробку, виготовлення і освоєння виробництва електронних апаратів (ЕА), забезпечити сумісність і наступність апаратурних рішень при одночасному поліпшенні якості, збільшення надійності і терміну служби дозволяє використання модульного принципу конструювання.
Під модульним принципом конструювання розуміється проектування виробів ЕА на основі конструктивної і функціональної взаємозамінності складових частин конструкції - модулів.
Модуль - складова частина апаратури, що виконує в конструкції підлеглі функції, що має закінчену функціональний і конструктивне оформлення і забезпечена елементами комутації і механічного з'єднання з подібними модулями і з модулями нижчого рівня у виробі.
Модульний принцип конструювання передбачає розукрупнення (розбивку, розчленування) електронної схеми ЕА на функціонально закінчені підсхеми (частини), що виконують певні функції.
Ці підсхеми найчастіше розбиваються на більш прості і так до тих пір, поки електронна схема вироби не буде представлена у вигляді набору модулів різної складності, а нижчим модулем не опиниться корпус МС. Модулі одного рівня об'єднуються між собою в ЕА на будь-якої конструктивної основі (несучої конструкції).
Можливий і інший підхід до проектування, коли частинам детально розробленою функціональної схеми вироби ставляться у відповідність схеми обраної серії мікросхем, а електрична схема вироби як би "покривається" електричними схемами мікросхем.
При цьому окремі частини схеми вироби можуть виявитися непокритими мікросхемами існуючих серій, тоді такі підсхеми реалізуються дискретними електрорадіоелементами (ЕРЕ).
В результаті буде отриманий набір корпусів МС і ЕРЕ, який реалізує схему вироби. Ці корпусу і ЕРЕ встановлюються і коммутируются між собою в модулях наступного рівня ієрархії, які встановлюються і коммутируются в модулі більш високого рівня, і т. Д.
Залежно від складності проектованого вироби буде задіяно різну кількість рівнів модульності (рівнів конструктивної ієрархії).
Конструкція сучасної ЕА являє собою деяку ієрархію модулів (порядок в розташуванні модулів від нижчого до вищого), кожен ступінь якої називається рівнем модульності.
При виборі числа рівнів модульності проводиться типізація модулів, т. Е. Скорочення їх різноманітності і встановлення таких конструкцій, які виконували б найширші функції у виробах певного функціонального призначення.
Функціональне різноманіття виробів досягається використанням різного числа рівнів модульності з можливістю конструктивного оформлення вищого і, отже, найскладнішого модуля у вигляді закінченого вироби.
Виділяють чотири основних і два додаткових рівня модульності. Під основними розуміються рівні модульності, широко застосовуються в різноманітної апаратури, під додатковими - використовувані в спеціальній апаратурі, але не завжди. Ієрархія модулів і їх входимость (установка) наведені на рис. 1, де модулі різних рівнів відокремлені подвійними вертикальними лініями.
Модулем нульового рівня є електронний компонент. Залежно від виконання апаратури модулем нульового рівня служать ЕРЕ і МС.
Модуль першого рівня - типовий елемент заміни (ТЕЗ) - являє собою ПП з встановленими на ній модулями нульового рівня і електричним з'єднувачем.
Модуль другого рівня - блок, основними конструктивними елементами якого є панель з відповідними з'єднувачами модулів першого рівня. Міжблочні комутація виконується соединителями, розташованими по периферії панелі блоку. Модулі першого рівня розміщуються в один або кілька рядів. На рис. 1 показаний однорядний блок.
Модуль третього рівня - стійка, в якій встановлюються блоки або 2-3 рами.
Модулем рівня 0,5 є мікрозбірка, що складається з підкладки з розміщеними на ній безкорпусная мікросхемами. Межмодульного комутація забезпечується введенням по периферії підкладки контактних майданчиків. Модуль вводиться для збільшення щільності компонування апаратури.
Мал. 3.1. Конструктивна ієрархія і входимость модулів:
1 - мікросхема; 2 - безкорпусні мікросхема; 3 - мікрозбірка; 4 - елемент заміни (ТЕЗ), осередок; 5 - блок; 6 - рама; 7 - стійка
Модуль рівня 2,5 являє собою раму, в якій розміщуються 6-8 блоків. Рама застосовується в стоечной апаратурі, що використовує невеликі за розмірами модулі першого рівня.
Модульний принцип конструювання передбачає кілька рівнів комутації:
1-й рівень - комутація друкованим і (або) проводовим монтажем електронних компонентів на платі;
2-й рівень - комутація друкованим або об'ємним монтажем відповідних з'єднувачів модулів першого рівня в блоці;
3-й рівень - електричне об'єднання блоків або рам в стійці і стійок між собою джгутами і кабелями;
рівень 0,5 - електричне з'єднання висновків безкорпусних мікросхем плівковими провідниками;
рівень 2,5 - комутація блоків в рамі проводами, джгутами або кабелями.
При розробці нескладної апаратури вищі рівні модульності відсутні. Повна модульність, наведена на рис. 1, використовується тільки в складній апаратурі, наприклад в супер-ЕОМ.
Вираз функціонально-вузловий метод проектування широко поширене у вітчизняній літературі. Цей метод дає підхід до розбивці функціональної схеми вироби на вузли (підсхеми), конструктивно виконані на ПП модулями першого рівня.
Насправді завдання проектування ставиться ширше, так як складна апаратура втілює не одну схему, а, як правило, кілька структурних або функціональних схем. Тому доцільно говорити про модульному принципі проектування, маючи на увазі під цим принципи виділення (розукрупнення, розбивки) схем на функціональні групи різних рівнів складності (вузли, пристрої, комплекси, системи) для реалізації їх конструктивними модулями. Конструктивним модулів можна поставити у відповідність схемні модулі, які так само мають багаторівневу ієрархію і являють собою функціональні вузли, пристрої, комплекси, системи (табл. 1.).
Таблиця 1. Зв'язок між конструктивною і схемної модульностью
Необхідно відзначити, що наведена в табл. 1 зв'язок конструктивної і схемної модульности умовна. Вона має відношення до апаратури, яка реалізується на мікросхемах малої ступеня інтеграції, і в загальному випадку залежить від функціональної складності проектованого вироби і ступеня інтеграції застосовуваних МС.
Справа в тому, що в великих інтегральних схемах (ВІС) реалізуються цілком пристрої (наприклад, перетворювачі, пристрої, що запам'ятовують) або їх великі фрагменти. Цілком можливо, що нескладна система буде конструктивно виконана на одній друкованій платі.
При розбивці структурних і функціональних схем необхідно задовольнити багатьом і часом суперечливим вимогам:
функціональної закінченості, коли виділяється подсхема повинна володіти необхідною повнотою і виконувати приватні функції з приймання, обробки, зберігання та передачі інформації;
мінімізації зовнішніх зв'язків подсхем, або, якщо електричні з'єднувачі модулів обрані (задані), щоб число зовнішніх зв'язків не перевищило число контактів з'єднувача;
максимального заповнення відведеного конструктивного простран ства (поверхні) модулями (компонентами) (з цієї ж причини компоненти не повинні істотно відрізнятися між собою за габаритними розмірами і масою);
модулі (компоненти) подсхем повинні розсіювати приблизно однакові потужності, щоб уникнути місцевих перегрівів;
модулі (компоненти) подсхем не повинні бути надмірно чутливих тільними до електричних, магнітних і електромагнітних перешкод і не повинні створювати надмірних перешкод.
Дотримання вимог функціональної закінченості покажемо на прикладі розробки конструкції супергетеродинного приймача, що складається з наступних подсхем: вхідний ланцюга, підсилювача радіочастоти, перетворювача частоти, підсилювача проміжної частоти, детектора, підсилювача звукової частоти.
При реалізації конструкції радіоприймача кожен функціональний вузол можна виконати на окремій платі і в той же час всю схему радіоприймача - на одній платі. В тому і іншому випадку функціональна завершеність матиме місце, але в другому випадку загальне число зовнішніх зв'язків менше, і надійність, якщо всі інші елементи схеми і конструкції однакові, виявиться вище.
Функціональна закінченість буде відсутній, якщо на одній платі виконана схема вхідного ланцюга і частина підсилювача радіочастоти, а на інший платі - решта підсилювача радіочастоти і перетворювач частоти.
Функціональна закінченість подсхем скорочує число міжмодульних електричних з'єднань, дозволяє вносити конструктивні зміни на більш пізніх стадіях проектування, спрощує і здешевлює контроль модулів.
Модулі вищих рівнів поставляються розробникам ЕА у вигляді базових несучих конструкцій (БНК), які представляють собою деталь або сукупність деталей, призначених для розміщення, монтажу складових частин апаратури і забезпечення стійкості ЕА в умовах зовнішніх впливів. Під БНК розуміється стандартна несуча конструкція, яка служить для розробки різноманітної ЕА певного призначення.
Прискорення розробки та виробництва апаратури, збільшення її серійності, зниження вартості можна досягти уніфікацією, нормалізацією і стандартизацією основних параметрів і типорозмірів друкованих плат, блоків, приладових корпусів, стійок, широким застосуванням модульного принципу конструювання.
В основі стандартизації модулів та їх несучих конструкцій лежать типові функції, властиві багатьом електронним системам. Для використання при проектуванні модульного принципу конструювання розроблені відомчі нормалі і державні стандарти, що встановлюють терміни, визначення, системи типових конструкцій модульних систем.
Конструкційна система перш за все повинна представляти багаторівневе сімейство модулів з оптимальним складом набору, що забезпечує функціональну повноту при побудові апаратури певного призначення.
Всі модулі системи повинні бути сумісні між собою за конструктивними, електричним і експлуатаційним параметрам.
Базовим називається принцип конструювання, при якому приватні конструктивні рішення реалізуються на основі стандартних конструкцій модулів або конструкційних систем модулів (базових конструкцій), дозволених до застосування в апаратурі певного класу, призначення та об'єктів установки.
При розробці базових конструкцій повинні враховуватися особливості сучасних і, що більш важливо, майбутніх розробок. При цьому приватні конструктивні рішення узагальнюються, а основні властивості і параметри закладаються в конструкції, які стандартизуються, поставляються і рекомендуються для широкого застосування.
Базові конструкції не повинні бути повністю конструктивно завершеними, необхідно передбачати можливість їх зміни (в основному косметичного характеру) для створення модифікацій апаратурних рішень. Ієрархічна побудова базових конструкцій з гнучкою структурою і числом рівнів не більше чотирьох є цілком достатнім для розробки ЕА будь-якої складності.
При стандартизації параметри конструкцій об'єднуються в параметричні ряди, що характеризуються сукупністю числових значень на основі прийнятих градацій і діапазонів.
Якщо в якості параметрів ряду використовують геометричні розміри конструкції, то говорять не про параметричні, а про розмірних рядах. Обидва види рядів набули широкого поширення.
Оптимальними з позицій стандартизації слід вважати ряди, які забезпечують найбільший економічний ефект від їх використання і випереджальну стандартизацію, т. Е. Скорочення обсягу робіт, пов'язаних з переглядом стандартів і їх модернізацією (випереджальна стандартизація дозволяє збільшити терміни дії стандартів).
Для більш детального розгляду суті модулів розглянемо базовий модуль - модулі нульового рівня.
На нижчому нульовому рівні конструктивної ієрархії ЕА знаходяться МС. Корпуси МС служать для захисту поміщених в них напівпровідникових кристалів, підкладок і електричних з'єднань від зовнішніх впливів, а також для зручності при складанні і монтажі модулів першого рівня. Кристали або підкладки МС приклеюють або припаюють до основи корпусу, а вихідні контакти під'єднують до виводів корпусу пайкою або зварюванням.
Корпуси мікросхем бувають металоскляний, металлокераміче-ськими, Металопластмасова, скляними, керамічними та пластмасовими.
У перших трьох різновидах корпусів кришка виконується металевою, а підстава - скляним, керамічним або пластмасовим. Металева кришка забезпечує ефективну вологозахист при хорошому відвід теплоти від кристала, знижує рівень перешкод.
У пластмасових і керамічних корпусах кришку і підставу виконують з однорідного матеріалу. Підстава корпусу з'єднують з кришкою пайкою, зварюванням або склеюванням. Деякі корпусу отримують шляхом заливання форми корпусу пластмасою.
На корпус МС наноситься маркування відповідно до її умовним позначенням та виконується нумерація висновків щодо ключа або мітки. За формою проекції тіла корпусу на установчу площину і розташуванню висновків корпусу ділять на типи і підтипи.
Для правильної установки МС на плату корпусу мають орієнтир (ключ), розташований в зоні першого виводу (висновки нумеруються зліва направо або за годинниковою стрілкою з боку розташування висновків). Ключ робиться візуальним у вигляді металізованої мітки, виїмки або паза в корпусі, виступу на виведення та ін. В поперечному перерізі висновки корпусів мають круглу, квадратну або прямокутну форму.
Крок між висновками становить 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 і 2,5 мм.
Типи корпусів мікросхем поділяються на типорозміри, кожному з яких присвоюється шифр, що позначає тип корпусу і двозначне число порядкового номера типорозміру. Потім через точку вказується кількість висновків корпуса.
Наприклад, корпус з 48 висновками і умовним позначенням 41,13-48,1 відповідає корпусу четвертого типу, 41-му підтипу з порядковим номером 13. Остання цифра умовної позначки - порядковий реєстраційний номер. Для МС в експортному виконанні замість реєстраційного номера вводиться латинська буква Е.
Кожен тип корпусу має переваги і недоліки. Корпус з пла-Нарнії висновками для установки і монтажу вимагає на друкованій платі майже вдвічі більша за площу, ніж тих же розмірів корпус, але з ортогональним розташуванням висновків. Однак установка таких корпусів можлива з двох сторін плати.
Жорсткі штирові висновки з ортогональної орієнтацією відносно площини підстави дозволяють встановлювати мікросхеми на плату без додаткової підтримки навіть при жорстких вібраці-. ційних і ударних навантаженнях.
При спільній установці мікросхем і ЕРЕ для спрощення монтажних робіт слід рекомендувати корпусу зі штирові висновками. Пластмасові корпуси дешеві, забезпечують хороший захист від механічних впливів, але гірше за інших типів корпусів захищають від кліматичних впливів, перегріву.