Введение
Производство РЭА в настоящее время развивается высокими темпами, находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса. Современная РЭА используется в радиолокации, радионавигации, системах связи, вычислительной технике, машиностроении, на транспорте, в физических, химических, медицинских и биологических исследованиях и т.д.
В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей РЭА и серьезном улучшении таких технико-экономических, показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и технологии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства РЭА реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям.
Проектирование современной РЭА - сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия радиотехнических систем (РТС), схемы и конструкции аппаратуры и технология ее изготовления.
Требования, предъявляемые к РЭА, постоянно ужесточаются, а усложнение аппаратуры приводит к необходимости внедрения последних достижений науки и техники в разработку, конструирование и технологию РЭА. Радиоэлектроника немыслима сегодня без новой технической базы - микроэлектроники. Создание интегральных микросхем (ИС), больших интегральных схем (БИС), сверхбольших интегральных схем (СБИС), изделий функциональной микроэлектроники и многослойного монтажа позволило резко повысить надежность РЭА, уменьшить ее габариты, массу.
Основное требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т. е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности (рис. 1)
Рис.1 Показатели эффективности РЭА
Современные методы конструирования должны обеспечивать: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы; увеличение степени интеграции, микроминиатюризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; взаимосвязь оператора и аппаратуры; широкое внедрение методов оптимального конструирования; высокую технологичность, однородность структуры; максимальное использование стандартизации.
Все возрастающие требования к проектированию РЭА приводят к усложнению конструкций, повышению трудоемкости их проектирования и изготовления, увеличению себестоимости.
Сокращение сроков проектирования до определенных пределов при использовании традиционных ручных методов возможно за счет увеличения численности конструкторов и разработчиков. Однако при этом снижается удельная производительность труда из-за трудностей, возникающих при управлении, и ошибок, неизбежных при ручном проектировании (эти ошибки часто обнаруживаются уже в процессе производства, а даже небольшие коррекции в документации требуют разработки новых чертежей, объем которых сравним с основным объемом документации). Кроме того, число людей, занятых в сфере конструкторской деятельности, ограничено. Ускорить и удешевить проектно-конструкторские работы можно как за счет обоснованного применения типовых базовых конструкций, так и путем разработки и внедрения прогрессивных методов конструирования на основе достижений вычислительной техники.
Стремление разработать эффективные методы конструирования РЭА, позволяющие обобщить опыт работы высококвалифицированных конструкторов и сделать их достаточно универсальными, приводит к необходимости формализовать процесс конструирования. Формализация деятельности конструкторов РЭА требует выбора, построения и обоснования моделей будущих конструктивных решений. При этом на основе исходных элементов моделей будущей конструкции необходимо создать структуру более сложной модели всей конструкции РЭА в целом, т. е., по существу, решить задачу синтеза конструкций.
Разработанная обобщенная модель конструкции РЭА подвергается тщательным исследованиям с точки зрения удовлетворения параметров конструкций заданным техническим требованиям. Таким образом, проводят анализ и оптимизацию параметров конструкции.
Оптимизацию конструкции РЭА обычно сводят к нахождению из множества просмотренных вариантов единственного, обеспечивающего выполнение поставленной задачи с максимальной эффективностью при минимуме затрат. Поиск оптимальных вариантов увеличивает объем работ высокой квалификации в такой степени, что ручной труд становится малоэффективным. В создавшихся условиях радикальным средством увеличения эффективности труда является оптимизация процессов разработки с привлечением графоаналитических устройств и ЭВМ. Применение ЭВМ для проектирования изменяет, некоторые этапы работ и требует перестройки традиционно сложившихся отношений между проектировщиками, конструкторами, технологами и работниками технического архива. Широкое внедрение ЭВМ в процессе конструирования требует совершенствования форм конструкторских документов и создания таких технических архивов, где вместо картотеки хранятся перфокарты на чертежи и другие сведения на машинных носителях.
Успешное решение проблемы формализации конструкторской деятельности возможно лишь при ее алгоритмизации и автоматизации с использованием математических методов, теории графов, алгоритмов, математического программирования, исследования операций, вычислительных методов и др.
Под автоматизацией проектирования будем понимать систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения задач. Возможность автоматизации определяется степенью алгоритмизации процессов конструирования, временем, необходимым для обработки результатов моделирования или корректировки машинной документации, а также формой общения конструктора с ЭВМ. Наиболее оперативная форма обмена информацией - непосредственный диалог конструктора с ЭВМ - значительно расширяет возможности автоматизации и оптимизации конструирования.
Одна из основных особенностей процесса разработки новых моделей РЭА - переход к системным методам решения задач при проектировании РЭА. Системные методы связаны с понятием «система». Под системой будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств, частей, подсистем, совместно выполняющих заданные функции, решающих общую задачу в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития и противоречий. При системном подходе изучаемый, проектируемый, изготавливаемый объект рассматривается как система.
Системный подход базируется на рассмотрении изучаемого объекта во взаимосвязи с окружающими объектами. Его задачами являются исследование специфических связей, установление закономерностей, присущих отдельным типам систем, разработка на этой основе определенных методов их описания и изучения.
Сформулируем основные положения системного подхода.
1. Параметрическое описание, которое является простейшей формой научного анализа. Представляет собой исследование любого объекта, которое базируется на эмпирических наблюдениях, описании свойств, признаков и отношений исследуемого объекта к другим.
2. Структурное описание исследуемого объекта, которое выполняют после выявления параметров. Предусматривает переход к определению поэлементного строения исследуемого объекта. Основная задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи свойств, признаков, выявленных при параметрическом описании исследуемого объекта.
3. Функциональное описание исследуемого объекта, которое может быть выполнено исходя из функциональных зависимостей между параметрами (функционально-параметрическое описание) или частями объекта (функционально-структурное описание). Специфика состоит в том, что функция части объекта задается на основе характеристики всего объекта.
Приведенные положения показывают постепенное усложнение подхода к исследуемому объекту, так как каждый последующий этап включает все предыдущие и, кроме того, решает некоторые новые задачи.
Использование системного подхода должно упрощать процесс исследования. Особенность системного подхода заключается в новой ориентации всего хода исследования, которая состоит в стремлении построить целостную картину исследуемого объекта. Системный подход базируется на следующих принципах.
1. При исследовании объекта как системы описание его частей не имеет самостоятельного значения, так как каждая часть объекта описывается не отдельно, а с учетом ее роли во всем объекте.
2. Специфика системного объекта не исчерпывается особенностями составляющих его частей, а связана с характером взаимосвязей между отдельными частями.
3. Один и тот же исследуемый объект выступает как обладающий одновременно разными характеристиками, параметрами, функциями, структурой. Проявлением этого является иерархичность строения систем.
4. Исследование системы, как правило, неотделимо от исследования условий ее функционирования.
5. При исследовании сложного объекта учитывается зависимость состояния частей от состояния всей системы.
6. Анализ функциональной характеристики исследуемого объекта может оказаться недостаточным, так как весьма важно установить целесообразность функционирования системы.
Использование системных методов позволяет избегать односторонних ошибочных представлений, заключений и решений. При конструировании РЭА системный подход является средством анализа и синтеза при одновременном использовании большого числа компонентов и факторов, а также взаимосвязей, образующих данную систему. Он позволяет рассматривать РЭА как единое целое при анализе и проектировании ее частей. При этом необходимо иметь способ объединения частей в одно целое.
Деление РЭА по выполняемым функциям на устройства удобно с точки зрения принципов действия РЭА и схемотехники. Однако при этом важные вопросы конструкций, технологии и технической эксплуатации рассредоточиваются. Поэтому широко используется деление РЭА на устройства, когда в РЭА выделяются схема, конструкция, технология производства, эксплуатация. Устройства, входящие в систему РЭА, основаны на различной физической сущности процессов и находятся в сложном взаимодействии друг с другом.
Проектирование современной РЭА включает принятие решений по принципам действия, схемам и построению конструкции, по элементной базе, а также по совокупности технологических процессов, предлагаемых для использования при изготовлении, и основных принципов технической эксплуатации.
Для выполнения поставленных задач конструкторы и технологи должны работать совместно со специалистами различных областей. При участии механиков и эксплуатационников конструкторы РЭА решают вопросы обеспечения надежности, ремонтопригодности, контролепригодности, диагностирования и прогнозирования, удобства использования и обслуживания (эргономические, антропометрические, психологические) электромагнитной и тепловой совместимости, защиты от дестабилизирующих факторов