Автоматизація проектування радіоелектронної апаратури

Міністерствоосвіти Республіки Білорусь

Реферат натему:

АВТОМАТИЗАЦІЯПРОЕКТУВАННЯ РЕА

Мінск2010

ЗМІСТ

Методи конструювання РЕА

Основні проблеми конструювання РЕА

Етапи проектування РЕА та можливості їх автоматизації

Роль мови програмування в автоматизованих системахмашинного проектування

Тенденції розвитку систем автоматизованогоконструювання

Коротка характеристика обчислювальних машин, використовуванихпри вирішенні задач автоматизації проектування РЕА

МЕТОДИ КОНСТРУЮВАННЯ РЕА

Тривалий час РЕАрозроблялася на основі блочного методу конструювання, що передбачаєрозчленування апаратури з метою її стандартизації та уніфікації до рівня блоку(Звідси і назва методу). Однак цей метод конструювання не дозволявавтоматизувати виробничі процеси складання і монтажу РЕА і з плиномчасу, по мірі ускладнення апаратури, був замінений функціонально-вузловимметодом, при якому складні функціональні схеми складаються з найпростішихфункціональних вузлів.

Широке впровадження даногометоду зумовлене можливістю використання обмеженого наборуфункціональних вузлів для створення якого-небудь конкретного класу апаратури,що дозволило вирішити завдання їх уніфікації. Уніфіковані функціональні вузли(Мікросхеми різного функціонального призначення і рівня інтеграції - числа елементівна одному кристалі або в одному корпусі мікросхеми) випускаються серійноспеціалізованими підприємствами і використовуються в якості комплектуючихвиробів при проектуванні РЕА. Специфічні схеми і вузли в сучасній РЕАстановлять лише 15-30%. У багатьох випадках вони можуть бути реалізовані на тій жеконструктивно-технологічній базі, що й уніфіковані вузли. Застосуванняфункціонально-вузлового методу дозволило автоматизувати виробничіпроцеси складання і монтажу апаратури, знизити її собівартість, скоротити термінирозробки і підвищити надійність.

Крімфункціонально-вузлового методу конструювання, який передбачає створенняконструкцій РЕА на основі мікросхем, що виконують найпростіші функції підсилення,генерації і перетворення сигналів, в даний час все більшого значеннянабуває метод, заснований на використанні великих інтегральних схем (ВІС).У промисловості намітилися два напрями розвитку БІС: напівпровідникові(Монолітні) і гібридні БІС. Напівпровідникові БІС являють собоюконструкції, що складаються з декількох тисяч напівпровідникових елементів,виготовлених в єдиному технологічному процесі на одній загальнійнапівпровідниковій пластині. Гібридні БІС є збірними конструкціями, вяких спочатку окремо на мініатюрних підкладках за допомогою плівковоютехнології виготовляють пасивні елементи схеми (резистори, конденсатори ііндуктивні котушки), а потім на комутаційної підкладці ці елементи з'єднуютьзгідно заданої принципової схемою з твердотільними матрицями діодів,транзисторів і Безкорпусні ІС. Гібридні БІС мають збільшене числопроміжних електричних з'єднань в порівнянні з монолітними БІС, але прицьому забезпечують високий відсоток виходу придатної продукції, що дозволяєналагодити їх виробництво на підприємствах, що не мають складного технологічногообладнання, необхідного для випуску напівпровідникових інтегральних схем.

Як вказувалося,використання уніфікованих функціональних вузлів істотно підвищилонадійність РЕА. Це пояснюється як високою надійністю самих уніфікованихвузлів, елементи яких працюють зазвичай в полегшених режимах, краще захищенівід зовнішніх механічних та кліматичних впливів, так і зменшенням числапаяних і зварних з'єднань, істотно знижують надійність апаратури.Застосування БІС сприяло підвищенню надійності РЕА, зменшенню її габаритіві маси, зниженню вартості. Використання сучасних мікросхем, виготовленихв єдиному технологічному циклі з мінімальним числом паяних і зварних з'єднань,дозволило на один-два порядки збільшити надійність роботи РЕА в порівнянні заналогічної апаратурою, виконаної на звичайних дискретних елементах. Крімтого, малі габарити і маса мікросхем дають можливість широко використовуватиодин з найефективніших способів підвищення надійності - резервування.

Слід зауважити, щофункціонально-вузловий метод і метод конструювання на основі ВІС НЕсуперечать, а взаємно доповнюють один одного при створенні складних ібагатообразних конструкцій РЕА.

Розвиток сучасної РЕАдиктує підвищені вимоги до процесу проектування її конструкції. Так,наприклад, з появою мікросхем для реалізації межз'єднань застосовуютьбагатошарові друковані плати, що забезпечують високу щільність компонуванняелементів. При цьому трудомісткість проектування таких багатошарових друкованихплат, а також багатошарових плівкових межз'єднань БІС виявляється вельмивисокою. Їх розробка традиційними ручними способами скрутна, а підбагатьох випадках просто неможлива.

Таким чином, впровадженняфункціонально-вузлового методу конструювання РЕА та досягненнямікрорадіоелектронікі послужили необхідними передумовами для розробки тарозвитку машинних методів конструювання.

ОСНОВНІПРОБЛЕМИ КОНСТРУЮВАННЯ РЕА

Широке впровадження РЕА врізних галузях народного господарства, а також прискорення темпів розвитку наукиі техніки призвели до: а) безперервного росту тактико-технічних вимог,пред'являються до розроблюваних виробів РЕА, і ускладненню їхньої конструкцій, щозбільшує терміни проектування; б) різкого скорочення термінів моральногостаріння виробів РЕА та необхідності своєчасної їх заміни більшдосконалими; в) збільшенню стоймости розробок; г) стислим термінам, відведеногона розробку нових виробів.

Зазначені особливостірозробки та освоєння нових зразків РЕА зробили даний процес досить складнимі трудомістким. Класичні методи і засоби "ручного проектування"вже не можуть у ряді випадків забезпечити якісне і швидке створення новихвиробів. Так, наприклад, при створенні РЕА на основі ВІС необхідно вирішувативеликий комплекс складних завдань, починаючи з розрахунку окремих елементів БІС,визначення їх геометрії, взаємного розташування і кінчаючи складаннямматематичної моделі функціонування всієї схеми в цілому для оптимізації їїконструкції, що при "ручному проектуванні" вимагає багатьохлюдино-років.

Застосування обчислювальнихмашин для автоматизації проектно-конструкторських робіт дозволяє:

а) проаналізуватисотні варіантів різних конструктивних рішень за короткий проміжокчасу, що не може зробити жоден проектувальник звичайними методами;

б) скоротити терміни ізнизити вартість розробки апаратури;

в) створюватиконструкції, оптимально враховують вимоги до них технічні вимоги;

г) підвищити якістьконтролю конструкторсько-технологічної документації створюваної апаратури;

д) використовуватибільш точні методи розрахунку і проектування, що зводять до мінімумуподстроечного-регулювальні операції в процесі виробництва РЕА;

е) значно розширитиклас принципово здійсненних по складності проектів, як, наприклад,пристроїв на БІС і т. д.

Основною метою створеннясистем автоматизації проектування РЕА, що представляють собою складнілюдино-машинні комплекси, є ефективне використання характернихособливостей кожної сторони, що бере участь у процесі розробки РЕА: у людини- Інтуїції, досвіду, винахідливості, здатності до прийняття рішень; біля ЕОМ -швидкодії, точності розрахунку, обсягу пам'яті, надійності та ін Тому в такихсистемах розробник виступає не тільки як споживач кінцевих результатів,одержуваних від ЕОМ, але й як активний учасник самого процесу проектування,тобто має місце спільний пошук рішень проектувальника з ЕОМ.

ЕТАПИПРОЕКТУВАННЯ РЕА І МОЖЛИВОСТІ ЇХ АВТОМАТИЗАЦІЇ

Процес проектуванняРЕА можна умовно розбити на три основні етапи: системотехнічний, схемотехнічнийі технічний (рис. 1).

Системотехнічнепроектування включає в себе зовнішнє і структурне проектування.

При зовнішньомупроектуванні виробляють всебічний аналіз вихідного технічного завдання зточки зору надійності, вартості, швидкоді...ї, масогабаритниххарактеристик і т. д.; приймають найбільш суттєві рішення щодо можливихшляхів реалізації вимог до апаратури, сформульованих у технічномузавданні, з урахуванням сучасних досягнень в області радіоелектроніки; вибираютькритерії для оцінки ефективності проекту. На цій стадії проектуваннянамічають основні напрями схемотехнічних іконструкторсько-технологи-чеських рішень, а також виробляють патентний пошукіснуючих аналогів з метою раціонального використання накопиченого досвіду,формування оригінальних рішень та їх оформлення.

Структурний проектуваннягрунтується на технічному завданні на розробку, доповненому результатомзовнішнього проектування. На даній стадії уточнюють основні функціональнічастини розробляється РЕА, виробляють розподіл функцій між окремимивузлами і блоками. При цьому необхідно враховувати вимоги виробництва іможливість використання уніфікованих виробів, що випускаються промисловістю.

В даний чассистемотехнічне проектування є нефор-малізуемим процесом. Тутвикористовують в основному творчі можливості розробників, а обчислювальнімашини застосовують лише для перегляду варіантів рішень, що приймаютьсярозробником, та пошуку аналогів за допомогою інформаційно-пошукової системи.

схемотехническойпроектування включає в себе логічне проектування, моделювання тааналіз отриманих схем, розробку діагностичних тестів. На даному етапіпроектування використання ЕОМ в даний час є більш широким.

При логічномупроектуванні здійснюють формальний синтез функціональних схем окремихвузлів, обраних на етапі системотехнічного проектування. Хоча втеоретичному плані тут існують значні досягнення, практичновикористовують машинний синтез керуючих і вузького класу операційних пристроїв.Слабо розроблена проблема синтезу нелінійних схем. Тому автоматизованийсинтез функціональних схем висуває велике число завдань, що потребують вирішення,наприклад розробка зручних мов опису вихідних даних, алгоритмів з метоюїх оптимізації по комплексним критеріям.

Основним завданняммоделювання та аналізу отриманих схем є накопичення інформації пропроектованих схемах, побудова карт станів і перевірка тимчасовихспіввідношень при проходженні вхідних сигналів. У міру розвитку автоматизаціїлогічного проектування об'єм моделювання функціональних схем будепоступово зменшуватися, так як ускладнення схем і використання БІС виключаютьможливість докладного моделювання, а багато критерії оптимізації можуть бутивраховані в результаті синтезу схем із застосуванням укрупнених моделей(Макромоделей).

Велике значення прирозробці складних радіоелектронних пристроїв набуває розробкадіагностичних тестів. Це пов'язано з безперервним підвищенням надійностівикористовуваних елементів і укрупненням типових елементів заміни (ТЕЗ) всучасної РЕА, що призводить до неможливості накопичення обслуговуючимперсоналом достатнього досвіду по виявленню несправностей. Завданняформування діагностичних тестів полягає в побудові такої вхіднийпослідовності сигналів, щоб з вигляду вихідний послідовності можнабуло судити про справність апаратури, а у випадку її несправності визначитивид і місце пошкодження. При вирішенні поставленого завдання здійснюютьмоделювання.

Функціональні схеми,отримані в результаті схемотехнічного проектування, служать вхіднийінформацією при технічному проектуванні, що включає в себе конструкторське татехнологічне проектування.

Основна метаконструкторського проектування полягає в переході від функціональної схемиапаратури до конкретного набору пов'язаних між собою конструктивних елементів,модулів і пристроїв, що реалізують цю схему; у визначенні їх розмірів,форми, матеріалу і взаємного розташування, а також випуск необхідноїтехнічної документації для її виробництва та експлуатації. При цьому зв'язку. Між окремими конструктивними елементами можуть носити механічний,електричний, електромагнітний і тепловий характер.

Основним завданням,розв'язуваної на даній стадії, є еквівалентну перетворення функціональноїсхеми розроблювального пристрою в схему з'єднань конструктивних елементів(Мікросхем, модулів, напівпровідникових і гібридних БІС і т. п.). Оптимальністьотриманого рішення оцінюється по ряду критеріїв, серед яких найбільшпоширеним є критерій мінімуму числа типів мікросхем, модулів, БІСі неуніфікованих виробів.

Після цьогоконструктивні елементи компонуються в функціонально закінчені вузли, блоки,агрегати за критерієм мінімуму зовнішніх зв'язків між окремими конструктивнимиодиницями РЕА.

Після рішення задачікомпонування виробляють розміщення елементів у межах кожної окремоїконструктивної одиниці. При цьому найбільш істотним є створеннясприятливих умов для подальшої трасування сполук.

Електричні з'єднанняконструктивних елементів можуть виконуватися як об'ємним монтажем, так і здопомогою комутаційних плат, де в залежності від обраної технологіївиробництва друковані провідники розводяться в одному, двох або більше шарах, що,у свою чергу, висуває індивідуальні вимоги до алгоритмів трасування.Як правило, критеріями оптимальності трасування є критерій мінімумусумарної довжини і числа перетинів провідників при стовідсотковій розводцісхемних з'єднань. Трасування з'єднань друкованих плат завершується отриманнямперфострічки для фотонаборной установки, на якій виготовляють фотошаблони.

Крім перерахованих завданьна стадії конструкторського проектування виконують роботи, пов'язані заналізом одержуваних конструктивних рішень з точки зору розподілуелектромагнітних і температурних полів, полів механічних напруг; розрахункомпаразитних зв'язків між елементами конструкції і оцінкою надійності розроблюваногопристрої.

Так як крімконструкцій електронних вузлів і блоків до загального складу радіоелектронноїапаратури зазвичай входять механічні та електромеханічні вузли та блоки(Механічні передачі, точні механізми, сельсіни і т. п.), а також елементинесучих конструкцій (плати, рамки, шасі і т. п.), то на даній стадії проектуваннятакож здійснюють розрахунок механічних характеристик і вибір основнихпараметрів цих конструктивних одиниць.

Кінцевим результатом усіхпроведених на стадії конструкторського проектування робіт є випускконструкторської та експлуатаційної документації на електричні і механічнічастини розроблюваного виробу, яка повинна бути оформлена в строгомуВідповідно до ЄСКД.

Мета технологічногопроектування - розробка технології та складання технологічноїдокументації, необхідної для організації виробництва виробів.

Таким чином, врезультаті розгляду основних етапів проектування РЕА та можливостей їхавтоматизації можна зробити наступний висновок. На перших двох етапахпроектування (системному та схемотехническом) велика частина вирішуваних завданьносить яскраво виражений творчий характер. При цьому в роботі бере участь, якправило, невелике число фахівців високої кваліфікації. Вплив отриманихрішень на основні показники розробляється РЕА велике. ЕОМ на даних етапахзастосовують головним чином для аналізу і контролю виконаної людиною роботи.Наступний етап проектування (технічний), навпаки, характеризується більшоютрудомісткістю і, отже, великою кількістю розробників. Розв'язувані наданому етапі завдання є в основному "рутинними" і за своєюприроді добре формалізуються, що сприяє використанню машиннихметодів їх вирішення. Тому природно, що найбільш широкий розвиток отрималисистеми, призначені для вирішення завдань конструкторського проектування РЕА,так як саме в цій області ефективність впровадження САПР виявляєтьсямаксимальної.

РОЛЬМОВИ ПРОГРАМУВАННЯ В АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМАХ МАШИННОГО ПРОЕКТУВАННЯ

Рішення кожної конкретноїзадачі проектування конструкцій РЕА із застосуванням ЕОМ вимагає її опису ввигляді програми на мові, сприйманому процесором машини і зрозуміломуконструктору-оператору.

Введемо поняття мовипрограмування, а також машинно-орієнтованого тапроцедурно-орієнтованого мов, за допомогою яких здійснюється обмінінформацією між оператором і ЕОМ.

Під мовоюпрог...рамування розуміють формальну мову зв'язку людини з обчислювальноюмашиною, службовець для представлення вихідної інформації та результатівобчислень, а також програм обробки даних в зручному для користувача ізрозумілому обчислювальній машині вигляді. Основу всіх мов програмування3.машини.мовою.

В даний часрозробника.

часу.інформації.результату.

У зв'язкуХочаматематичне забезпечення.В якостіДо

Крім того,Єльня машини, призначенідля вирішення широкого кола народногосподарських завдань. Обчислювальна потужністьСМ ЕОМ постійно збільшується за рахунок включення до їх складу різноманітнихнедорогих зовнішніх ЗУ на магнітній стрічці і магнітних дисках, а також суміщенняроботи зі стандартним периферійним обладнанням ЄС ЕОМ. Враховуючи теобставина, що СМ ЕОМ мають меншу вартість у порівнянні з ЄС ЕОМ привисокої продуктивності, можна вважати цю різновид ЕОМ такожперспективною для роботи в складі автоматизованих систем проектування РЕАі ЕВА.