книги / Проектирование электронно-лучевых приборов
..pdfР.А.Лачашвили
Л.В.Траубе
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННО*
ЛУЧЕВЫХ
ПРИБОРОВ
©
МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ"
1988
Ускорение научно-технического прогресса неразрывно связа но с сокращением сроков проектирования и внедрения в про изводство новых изделий при одновременном повышении их тех нического уровня. Вместе с тем сложность современного про изводства изделий электронной техники требует учета особеи-
остей технологии уже на ранних стадиях проектирования. По тому становится актуальным комплексное рассмотрение всего
цикла |
«исследование — производство» |
с целью его |
рационали |
зации |
и оптимизации. При этом в |
ряде случаев |
приходится |
иметь дело с ситуацией, когда отсутствуют сведения о приемах, применяемых разными разработчиками.
Все сказанное в полной мере относится к проектированию электронно-лучевых приборов (ЭЛП). Несмотря на наличие об ширной литературы по электронной оптике и ряда книг, в ко торых описываются физические принципы устройства ЭЛП, во просы их проектирования (в том числе автоматизированного) частично затрагиваются лишь в периодических изданиях. Внед рение ЭВМ в практику проектирования привело к развитию ме тодов численного моделирования важнейших узлов прибора — электронно-оптической системы и баллона. Это позволило пе рейти к созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) ЭЛП. Поэтому возникает необходимость комплексного систематического исследования всех аспектов проектирования ЭЛП и обобщения опыта, накопленного в этой области. Резуль таты анализа проектирования ЭЛП на всех этапах от разра ботки технического задания и определения структурной схемы прибора до ее реализации в конкретной конструкции можно использовать как при создании САПР ЭЛП, так* ц для повыше ния эффективности традиционных методов проектирования.
Следует отметить, что в условиях интенсивней компьютери зации инженерного дела специалисты, работающие в области проектирования и производства, должны обладать комплексными знаниями: об ЭЛП как объекте проектирования, о методах чис ленного моделирования его важнейших узлов, приемах кон структивной реализации принятых технических решений и осно вах автоматизации проектирования. В книге изложен опыт раз работки, внедрения и эксплуатации САПР приемных ЭЛП, кото рый позволяет дать ряд рекомендаций, имеющих общий характер. К сожалению, ограниченный объем книги не позволил уделить место полному обзору литературы, поэтому в списке литературы не упо мянут ряд работ, относящихся к тематике данного издания.
Предисловие, гл. 1 и 3 написаны авторами совместно, гл. 2 и 5 — Р. А. Лачашвили, гл. 4 — Л. В. Траубе.
з
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ |
|
|
|||
АСНИ — автоматизированная |
система |
научных исследований |
||||
АСТПП — автоматизированная |
система |
технологической |
подго |
|||
товки производства |
|
|
|
|
|
|
АЦПУ — алфавитно-цифровое печатающее устройство |
|
|||||
БП — блок памяти |
|
|
|
|
|
|
БФЗ — бланк формализованного задания |
|
|
||||
ВБД — временный банк данных |
|
|
|
|
||
ГВП — граф вычислительного процесса |
|
|
||||
ГПК— гибкий производственный комплекс |
|
|
||||
ДС — диалоговое состояние |
|
|
|
|
||
ЕСПД — единая система программной документации |
|
|||||
ЗЭЛП — запоминающий электронно-лучевой прибор |
|
|
||||
ИГС — интерактивная графическая система |
|
|
||||
ИМОП — информационная модель |
объекта проектирования |
|||||
ИПП — инструментальная подготовка производства |
|
|||||
ИПС — информационно-поисковая система |
программи |
|||||
ИСПП — инструментальная система прикладного |
||||||
рования |
|
|
|
|
|
|
КД — конструкторская документация |
|
|
||||
КПУ — катодно-подогревательный узел |
|
|
||||
КТС — комплекс технических средств |
|
|
|
|||
КУ — катодный узел |
|
|
|
|
|
|
КЧХ — контрастно-частотная характеристика |
|
|
||||
КЭ — конструктивный элемент |
|
|
|
|
||
ЛУО — линза усиления отклонения |
|
|
|
|||
МКЭ — метод конечных элементов |
|
|
|
|||
НДС — напряженно-деформированное состояние |
|
|
||||
0 0 — организационное обеспечение |
|
|
|
|||
ОП — объект проектирования |
|
|
|
|
||
ОПС-/ — объектная подсистема САПР 1-то уровня |
|
|
||||
ОС — отклоняющая система |
автоматизированного |
про |
||||
ОСАП — операционная система |
||||||
ектирования |
|
|
|
|
|
|
0 4 — операционная часть |
|
|
|
|
|
|
ОЭЛП — осциллографический |
электронно-лучевой прибор |
|||||
ПЗ — пространственный заряд |
|
|
|
|
||
ППО — прикладное программное обеспечение |
|
|
||||
ППП — пакет прикладных программ |
|
|
|
|||
ПО — программное обеспечение |
технологическое |
оборудо |
||||
ПУТО — программно-управляемое |
||||||
вание |
|
|
|
|
|
|
РЭА — радиоэлектронная аппаратура |
|
|
|
|||
САП — система |
автоматизированного |
программирования |
||||
САПР — система |
автоматизированного |
проектирования |
|
СГВ — система графического взаимодействия СМП/ПП — сквозной маршрут проектирования
производства СПЗ — система представления знаний
СПУ — система послеускорения СФИ — стеклоформующий инструмент
ТЗ — техническое задание ТК — тематический класс
ТПП — технологическая подготовка производства ФЧ — функциональная часть ФЭ — функциональный элемент ЦВ — центральный вычислитель
ЧМС — человеко-машинная система ЧПУ — числовое программное управление ЧТЗ — частное техническое задание ЭЛП — электронно-лучевой прибор ЭОС — электронно-оптическая система
ЭП — электронная пушка
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Дмакс.мин — предельные уровни яркости изображения |
элек |
||
5 з,з1,5,51 — коэффициенты, |
характеризующие |
аберрации |
|
тронных пушек |
|
аберрации электрон |
|
Сз,з1 — коэффициенты, характеризующие |
|||
ных линз |
|
|
|
/), й — поперечные размеры (диаметр, диагональ экрана, ра* |
|||
бочая часть) |
характеризующие |
аберрации |
элек |
^з,з1 — коэффициенты, |
тронно-оптических систем
Е— напряженность электростатического поля
е— заряд электрона
/, Р — фокусные расстояния электронной |
линзы и электрон |
но-оптической системы |
параметру х |
О( х ) — распределение термоэлектронов по |
|
Н — размеры, указывающие толщину |
|
/ — ток электронного пучка |
|
/— распределение плотности тока в пучке
К(ЛО — контраст
А, / — продольные размеры и расстояния М — линейное увеличение
т—'масса электрона
р— расстояние от источника до центра линзы
/?, г — радиальные размеры и координаты 5 — чувствительность к отклонению
5 — размеры, указывающие на величину зазора
Т№) — контрастно-частотные характеристики |
|
|
|||
I — время |
|
|
|
|
|
V — потенциал электростатического поля |
|
|
|||
V — скорость |
|
|
|
|
|
а, р — углы отклонения электронного пучка |
|
|
|||
Г — угловое увеличение |
(на выходе линзы) |
|
|||
V — угол раствора пучка |
|
||||
е — энергия вылета термоэлектронов |
|
|
|||
V — пространственная частота |
траектории |
электрона с за |
|||
р (х )— координата пересечения |
|||||
данной плоскостью |
в |
зависимости |
от |
координаты |
|
вылета х |
напряжения в конструкции |
баллона |
|||
2 — механические |
|||||
сг(г)— поверхностная |
плотность |
распределения заряда |
т— температура
Ф— угол раствора пучка (на выходе пушки или на входе линзы)
’фг — функция влияния *-го электрода
X— безразмерный параметр, описывающий уровень моду ляции электронной пушки
о — круговая пространственная частота
Глава 1.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ПРИБОРОВ
Всоответствии с ГОСТ 22487—77 проектирование есть про цесс составления описания, необходимого для создания в задан ных условиях еще не существующего объекта (на основе пер вичного описания этого объекта и алгоритма его функциониро вания) преобразованием первичного описания, оптимизацией за данных характеристик объекта и т. ’П. с последовательным пред ставлением описаний на различных языках.
Приведенное определение имеет общий характер и должно дополняться при исследовании проектирования в конкретных отраслях промышленности. При этом представляет интерес рас смотреть проектирование как деятельность и выделить в при менении к нему ее традиционные составляющие [1]: цель, си туацию (или условия), субъект, объект, средство (орудие), про дукт (результат) и собственно процесс.
Электронно-лучевые приборы относятся к конструкциям средней сложности, состоящим из нескольких десятков деталей. Тем не менее они являются ком плектующими изделиями и самостоятельно функционировать не могут, поэтому для них актуальна задача внутреннего проектирования, когда цель и ситуация (т. е. внешние условия) полностью определены техническим заданием (ТЗ) на разработку прибора и в процессе проектирования в основном не изменяются. Поэтому в дальнейшем цели проектирования и ограничения, связанные с нали чием внешних условий всех видов, будут считаться заданными. Это не значит, что проектирование ЭЛП тем самым изолируется от проектирования радиоэлек тронной аппаратуры (РЭА), для которой предназначены приборы. Напротив, исследование и упорядочение номенклатуры и системы параметров ЭЛП позво ляет, с одной стороны, повышать эффективность проектирования РЭА, а с дру гой— лучше обосновывать требования к разрабатываемым ЭЛП. Перспективным здесь является подход [2], основанный на представлении ЭЛП в виде эквива лентной схемы, состоящей из двухполюсников стандартного набора, значения па раметров которых определяются по результатам моделирования электронно оптической системы прибора. Таким образом, модели, описывающие функциони рование ЭЛП, включаются как составляющие в модели, описывающие функцио нирование РЭА, и требования ТЗ на разработку ЭЛП становятся более обосно ванными, поскольку являются частью решения, полученного при построении принципиальной схемы РЭА.
Следует отметить, что существующая практика формирования ТЗ на разра ботку ЭЛП не исключает волюнтаризма со стороны заказчика — разработчика
РЭА. Это вызвано тем, что зачастую разработчики РЭА требуют достижения не
которых потребительских параметров за счет конструкции ЭЛП, |
что приводит |
к необоснованному усложнению проектирования и удорожанию |
производства, |
в то время как тот «же результат может быть получен с меньшими затратами за счет схемотехнического решения. Одним из методов борьбы с такими явлениями может служить предварительный анализ требований, предъявляемых к ЭЛП, на их согласованность и выявление противоречий (см. гл. 2).
Итак, считая цель и ситуацию заданными, можно выделить три взаимосвязанные задачи анализа проектирования как дея тельности:
определение и систематизацию предметной области, т. е. со вокупности объектов и продуктов проектирования;
анализ процесса проектирования; разработку и анализ вариантов реализации САПР как сред
ства проектирования с учетом характеристик субъекта (разра ботчика ЭЛП).
В первую очередь должна быть решена задача определения и анализа предметной области. При этом следует отметить, что для проектирования понятия «объект» и «продукт» труднораз личимы, поскольку создание нового изделия существенно обус ловлено имеющимся опытом проектирования и сведениями об известных конструкциях (продуктах, полученных ранее), кото рые являются исходным материалом для определения предмет ной области. Вообще классификация и систематизация являются необходимыми стадиями развития любой теории, а для теории проектирования — важнейшими. Ограничивая предметную область проектирования ЭЛП, следует опираться на ГОСТ 13820—77 и ГОСТ 17791—82, обобщающие многолетний практический опыт, накопленный в электронной промышленности.
В соответствии с этими стандартами электронно-лучевой при бор определяется как электровакуумный прибор, действие кото
рого |
основано на |
формировании и |
управлении *по интенсивно |
сти |
и положению |
одним или более |
электронными лучами (пуч |
ками). Там же весь класс ЭЛП, действие которых основано на едином физическом принципе, разбит на множество видов, отли чающихся по функциональному назначению и некоторым кон структивным признакам. На основе этого членения можно по строить структуру предметной области, выделяя на верхнем уров не следующие основные группы:
приемные ЭЛП, преобразующие электрический сигнал в изо бражение;
передающие ЭЛП, преобразующие оптическое изображение в последовательность электрических сигналов;
запоминающие ЭЛП, предназначенные для записи, хранения, преобразования и считывания или воспроизведения информации;
кодирующие и функциональные ЭЛП, преобразующие элек
трические сигналы в электрические сигналы другого вида или воспроизводящие зависимости между этими сигналами.
Как видно из этих определений, основные группы различа ются по назначению. Более подробное членение класса ЭЛП на следующем уровне иерархии позволяет выделить в составе основных групп подгруппы, например для приемных ЭЛП:
кинескопы, предназначенные для воспроизведения телевизи онных изображений (с дальнейшим разделением на кинескопы черно-белого и цветного изображения);
проекционные ЭЛП, предназначенные для получения изобра жения на внешнем экране методом оптической проекции;
индикаторные ЭЛП, предназначенные для воспроизведения информации от электрических сигналов, управляющих интенсив ностью электронных лучей, отклоняемых по определенному за кону;
осциллографические ЭЛП, предназначенные для графического воспроизведения сигнала;
знакопечатающие ЭЛП, в которых отображаемая на экране информация формируется с помощью матрицы знаков.
Сюда же могут быть отнесены просвечивающие ЭЛП, пред назначенные для получения перемещающегося по экрану интен сивного точечного источника света, и фоторегистрирующие ЭЛП, предназначенные для воспроизведения изображения на свето чувствительном материале модулированным по яркости точеч ным источником света.
Аналогичное разбиение может быть произведено и в других группах, однако их границы определены с некоторой долей услов ности и в зависимости от цели анализа предметной области мо гут изменяться. Так, некоторые типы запоминающих ЭЛП могут быть отнесены к приемным, поскольку формируют изображение, в то время как другие типы примыкают к кодирующим ЭЛП, так как осуществляют преобразование «сигнал — сигнал». В то же время общие особенности проектирования и применения этих приборов делают целесообразным выделение их в отдельную группу.
Более четкие критерии классификации ЭЛП как объектов проектирования (ОП) можно получить на основе системного анализа отдельных изделий, отличающихся конкретными значе ниями своих конструктивных и потребительских параметров.
Прежде всего |
следует подчеркнуть, что |
любой |
ЭЛП |
состоит |
|
из конструктивно |
и функционально |
разнородных |
узлов |
(элек |
|
тронно-оптическая |
система, баллон, |
блок |
мишени, катодный |
узел, секция переноса, узел памяти и т. п.). Критерием разли чия этих узлов служат физические модели и теории, применяе мые для описания их функционирования. Так, при моделировании электронно-оптических систем используются методы электронной оптики, баллона — механика напряженно-деформированного со-
стояния, люминофорного покрытия—.методы оптики рассеиваю щих сред и т. п.
В свою очередь, узел может рассматриваться как совокуп ность так называемых функциональных элементов (ФЭ), каждый из которых представляет собой минимальную часть конструкции прибора, способную выполнять какую-либо из его функций. Функ циональные элементы являются как бы «молекулами» конструк ции, так как по отношению к ним еще можно говорить о неко торых ее свойствах. Примерами ФЭ, которые можно выделить в электронно-оптической системе, могут служить, например, элек тронная пушка, выполняющая функцию формирования электрон ного пучка и управления его интенсивностью, электронная линза, осуществляющая управление поперечным сечением пучка, откло няющая система и т. д. Иногда узел может состоять из одного ФЭ: например, баллон нельзя разделить на элементы с само стоятельными функциями — лишь в целом он создает необходи мые условия для работы прибора.
Дальнейшее расчленение конструкции ЭЛП приводит к выде лению конструктивных элементов (КЭ), каждый из которых уже не может самостоятельно выполнять какие-либо функции. Кон структивные элементы можно считать «атомами» конструкции, поскольку в них конструкция теряет -свои свойства. Примерами КЭ могут служить диафрагмы электронно-оптических систем, ко нус и горловина баллона и т. п. Рассматривая КЭ, необходимо прежде всего иметь в виду особенности их изготовления и сбор ки. Следует отметить также, что КЭ могут иметь различную
степень сложности, |
поэтому в |
соответствии |
с |
нормами |
ЕСКД |
||
в их составе |
могут |
выделяться |
сборочные единицы |
(модулятор, |
|||
отклоняющие |
пластины, выходная диафрагма |
и |
т. |
п.) и |
детали |
(диафрагмы, чашки, цилиндры и т. п.).
Таким образом, можно сформулировать четкие правила клас сификации ЭЛП как объектов проектирования, основанные на следующих понятиях:
класс |
изделий — выделяется |
по |
признаку общности физиче |
||
ских принципов, на которых основано действие приборов; |
основ |
||||
группа |
изделий — выделяется |
по |
признаку |
общности |
|
ной функции прибора и по признаку общности структуры |
(оди |
||||
наковый набор узлов); |
|
|
общности |
обла |
|
подгруппа изделий — выделяется по признаку |
сти применения и по признаку общности структуры (общий на бор функциональных элементов);
изделие — является единичным экземпляром в подгруппе, от личающимся конкретными параметрами, определенными техни ческим заданием (для разрабатываемых изделий) или техниче скими условиями (для выпускаемых);
узел изделия — выделяется по критерию отличия физических моделей и методов описания его функционирования;