Бурное развитие электронно-вычислительных средств

Эта часть является наиболее сложной, поскольку от правильности выбора метода конструирования, компоновочной схемы, принципов компоновки зависят многие важнейшие характеристики изделия, такие как габариты, масса, ремонтопригодность и т.д.

  Сложность изделий ЭВС в большинстве случаев требует расчленения схемы устройства на отдельные структурные части (уровни). Наиболее широко при создании конструкций современных ЭВС нашел применение модульный метод конструирования, когда определенная схемно-структурная часть реализуется в виде конструктивно-законченных частей (уровней) - модулей. По этому методу изделия ЭВС могут компоноваться из конструктивных модулей по следующим геометрическим компоновочным схемам: децентрализованной, централизованной и централизованной с вынесенными пультами.

  Модульная компоновка позволяет "сворачивать", "выпрямлять" и "разносить" в пространстве принципиальные схемы отдельных конструктивных модулей в самых разнообразных вариантах и пропорциях, что удобно как при проектировании, так и при эксплуатации ЭВС. Варианты компоновки могут предусматривать полное или неполное выдвигание модуля по направляющим из объема конструкции; поворот модулей по шарнирным сочленениям, соединяющим ребра модулей ("книжный вариант"); раскрытие компоновочного объема по шарнирным сочленениям, расположенным в ребрах раскрывающихся частей и др.

  Как правило, задание на курсовое проектирование предусматривает обычно разработку конструкции изделия ЭВС невысокой функциональной сложности, поэтому за основную компоновочную схему может быть принята одно- или многоблочная централизованная схема. При этом с учетом системного подхода конструкция обычно может быть реализована на уровне блока (панели), а в ряде случаев - в виде субблока, ячейки и даже микросборки.

  Одним из достоинств модульного метода конструирования является возможность использования при проектировании изделий ЭВС конкретных систем базовых конструкций  микро- и персональных ЭВМ и др., обеспечивающих возможность применения типовых (унифицированных) конструкций модулей, их конструктивную входимость по всем иерархическим уровням, конструктивно-технологическую преемственность возможных решений при модернизации; совместимость и единство художественно-конструктивного решения; использование современной и перспективной технологии производства изделий ЭВС.

  В ряде случаев, при разработке, например, специализированных изделий ЭВС применение систем базовых конструкций является нецелесообразным. Это объясняется тем, что высокий уровень стандартизации базовых конструкций не позволяет одновременно получить технические параметры проектируемого изделия выше значений, определяемых на момент проектирования уровнем развития науки и техники. Поэтому в таких случаях необходимо выполнять оригинальные оптимальные конструкции и их компоновки. Отметим также, что при создании некоторых конструкций ЭВС (например, отдельных узлов) наряду с модульным методом находят применение: машиностроительный, геометрический, топологический и другие методы.

  Составные части электрической схемы устройства (узлы) в свою очередь могут быть реализованы по одному из следующих принципов: моносхемному, схемно-узловому, блочному и функционально-узловому. Предпочтение следует отдавать функционально-узловому принципу, позволяющему выполнять устройство как конструктивно, так и функционально законченным.

  При предварительном выборе структуры конструкции и ее компоновке приходится решать ряд задач, связанных как с необходимостью удовлетворения основных требований, обусловленных техническим заданием, так и дополнительных, обусловленных методами конструирования, компоновки, монтажа и др. Часто требования могут быть противоречивыми.

  Выбранное решение структуры конструкции должно удовлетворять:

  - основному назначению изделия;

  - нормальному режиму работы;

  - требованиям надежности, ремонтопригодности;

  - требованиям стандартизации и унификации;

  - требованиям эргономики и эстетичности;

  - требованиям технологичности и экономичности с учетом заданных условий производства.

  Принятие решений по компоновке конструкции должно сопровождаться обобщенными поверочными расчетами, такими как компоновочный расчет с определением габаритов, форм и массы конструкции; расчет надежности; оценка теплового режима и электромагнитной совместимости; выбор способа охлаждения и др. 

  3.2.6 Выбор и обоснование применяемой элементной базы 

  Выдаваемая студенту при курсовом проектировании электрическая принципиальная схема устройства обычно требует доработки. Ее следует даже рассматривать как функциональную и дорабатывать в соответствии с дополнительными электрическими и эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к изделию (например, быстродействие, помехоустойчивость, жесткие условия эксплуатации и т.п.). Доработанная или переработанная электрическая принципиальная схема вместе с перечнем элементов служит в дальнейшем в качестве основы разработки печатных узлов ЭВС.

  Целью данного раздела является выбор конкретных серий и типов ИМС и электрорадиоэлементов, определение их габаритов, массы, установочных и присоединительных размеров, а также способов закрепления и монтажа ИМС.

  Естественно, что при разработке конструкций современных изделий ЭВС необходимо выбирать такие электрорадиоэлементы, которые в конструктивном, схемном и технологическом отношениях хорошо согласуются с параметрами, габаритами, конструкцией, методами сборки используемых в разрабатываемом устройстве ИМС.

  Выбор типов ИМС и электрорадио элементов должен также проводиться с учетом:

а) номиналов  и мощностей элементов;

б) надежности и условий эксплуатации системы, составной частью которой является проектируемое изделие;

в) технических  требований к конструкции проектируемого изделия и системы в целом;

г) экономической  целесообразности;

д) наличия  данных типов элементов в серийном производстве;

е) унификации и стандартизации.

  Выбор типов ИМС и ЭРЭ должен также проводиться с учетом вида монтажа. Например, при использовании МПП, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, целесообразно применение ИМС и ЭРЭ со штыревыми выводами, а при использовании МПП, изготовленных методом открытых контактных площадок, необходимо применять элементы с планарными выводами. Кроме того, следует учитывать, что различное конструктивное исполнение ИМС и ЭРЭ позволяет получить и различную плотность монтажа. Ограничения габаритов и массы изделия обуславливают выбор малогабаритных и микроминиатюрных элементов, если это позволяют условия их работы в изделии. Однако следует помнить, что при уменьшении габаритов и массы ЭРЭ прямой микроминиатюризацией, себестоимость ЭРЭ резко возрастает, несмотря на снижение материалоемкости ЭРЭ.

 Задачу  выбора типов микроминиатюрных ЭРЭ и ИМС следует решать на основе системного подхода и комплексной микроминиатюризации. Например, ряд серий и функциональных наборов корпусных ИМС имеет различное конструктивное исполнение, отличающееся габаритами и массой. В частности, большинство серий микросхем имеют бескорпусные аналоги, либо могут выпускаться по требованию заказчика.

  Для совместной работы с ИМС в функциональных узлах ЭВС могут быть использованы резисторно-конденсаторные и конденсаторные сборки, совместимые с ИМС по конструкции и эксплуатационным параметрам.

Если  в проектируемом изделии имеются  нестандартные элементы или узлы (оригинальные, частного применения), то необходимо при отсутствии в задании  их конструктивных параметров, провести их поверочные расчеты, выбрать тип конструкции, определить габариты, массу, способы крепления и монтажа. 

Разработка  конструкций модулей различных  иерархических уровней 

  В данном разделе должны быть рассмотрены вопросы разработки конкретных конструкций модулей различных иерархических уровней и их составных частей в соответствии с ранее выбранной структурой конструкции проектируемого изделия. В зависимости от сложности изделия такими модулями, прежде всего, являются блоки, печатные узлы (ячейки, ТЭЗы, блоки элементов и т.п.), двухсторонние и многослойные печатные платы, многокристальные микросборки, модули электропитания и т.п. Степень детализации их разработки обосновывается и определяется совместно с руководителем проекта. Этот раздел обычно требует выполнения значительного объема конструкторских работ, сопровождаемых оформлением конструкторской документации.

  В подразделе «Разработка конструкции блока» необходимо рассмотреть следующие задачи: обоснование выбора корпуса (кожуха) блока с учетом его стандартизации, ремонтопригодности, удобства эксплуатации и др.; обосновать и (или) рассчитать его типоразмеры: определить при компоновке зоны расположения печатных узлов, коммутации, управления; ориентацию ячеек с целью оптимизации компоновочных характеристик; провести оценочные расчеты массогабаритных характеристик; рассчитать основные компоновочные характеристики и показатели; изложить основные требования к электрической защите блоков (заземлению, экранированию и т.п.), герметизации (если необходимо), обеспечению теплового режима, механической защите блоков.

        Особое внимание следует уделять  оптимизации конструктивного решения  с учетом  системо- и схемотехнических, технологических и эксплуатационных требований.

  В подразделе «Разработка конструкции печатного узла» необходимо обосновать массогабаритные и другие компоновочные характеристики печатного узла, определить конструктивные составляющие (планки, съемники, рамки, соединители, переходники, элементы закрепления и т.д.). Для выбранных (рассчитанных или заданных) габаритных размеров печатного узла определяется возможное максимальное число эквивалентных посадочных мест (зон), проводится ориентировочное размещение ИМС и ЭРЭ с выбором шагов размещения, оценивается трассировочная способность схемы узла и возможная слойность печатной платы. В этом подразделе должны также быть сформулированы основные требования к защите печатных узлов от электрических, тепловых, механических, климатических и других воздействий.

  В подразделе «Разработка конструкции печатной платы» должны быть раскрыты следующие вопросы: сформулированы основные требования к конструкциям и технологии плат, выбрана требуемая группа жесткости, обоснован выбор типа печатной платы и класса точности выполнения размеров элементов печатного монтажа, выбраны размеры и конфигурация печатной платы, выбраны материалы печатных плат (оснований, покрытий); выбраны и размещены элементы печатного рисунка, осуществлена трассировка связей, выбраны требуемые элементы маркировки и контроля. Обязательно должны быть выполнены конструктивный и электрический (по постоянному и переменному току) расчеты печатных плат, оформлены соответствующие чертежи.  Особое внимание следует уделить платам (подложкам) при использовании бескорпусных ИМС, МСБ И ЭРЭ и учесть их специфические требования (технология, материалы, топологические нормы). 

Выбор, обоснование и разработка способов электромонтажа и соединений модулей 

  Известно, что цель электрических соединений (электромонтажа) в конструкциях изделий ЭВС состоит в обеспечении электрических сигнальных связей между входными и выходными цепями конструктивных модулей различного иерархического уровня, а также подвода к ним напряжений питания и земли для нормальной работы изделий. Поэтому все электрические соединения в изделиях, аналогично конструктивным модулям, входящим в изделия, и в соответствии с их иерархическими уровнями также можно разбить на несколько уровней коммутации. Например, для конструкций больших стационарных ЭВМ можно выделить: ячейный электромонтаж (монтаж ИМС и ЭРЭ на печатные платы); внутриблочный монтаж (объединение ячеек на объединительных платах и т.п.); межблочный монтаж; межстоечный и т.д.

  Следует помнить, что задача электромонтажа неразрывно связана с компоновкой, т.е. с размещением элементов по модулям различного уровня конструктивной иерархии.

  Трудоемкость электромонтажных работ составляет до 50 и более процентов всей трудоемкости изготовления изделий ЭВС, а электрические соединения - от 3 до 15% физического объема изделий.

  Конструкции электрических соединений во многом определяют надежность функционирования и другие показатели качества ЭВС. В частности, задержка, затухания и искажения сигналов, перекрестные помехи в электрических цепях могут снизить технические характеристики быстродействия и вообще нарушить нормальное функционирование ЭВС. Кроме того, электромонтаж в большей части определяет и экономические показатели изделия, поскольку, например, длина соединений проводов в больших ЭВМ может достигать нескольких десятков  километров.