Модульный принцип конструирования, конструктивная иерархия элементов, узлов и устройств

Модульный принцип конструирования, конструктивная иерархия элементов, узлов и устройств

Снизить затраты на разработку, изготовление и освоение производства электронных аппаратов (ЭА), обеспечить совместимость и преемственность аппаратурных решений при одновременном улучшении качества, увеличении надежности и срока службы позволяет использование модульного принципа конструирования.

Под модульным принципом конструирования понимается проектирование изделий ЭА на основе конструктивной и функциональной взаимозаменяемости составных частей конструкции -- модулей.

Модуль -- составная часть аппаратуры, выполняющая в конструкции подчиненные функции, имеющая законченное функциональное и конструктивное оформление и снабженная элементами коммутации и механического соединения с подобными модулями и с модулями низшего уровня в изделии.

Модульный принцип конструирования предполагает разукрупнение (разбивку, расчленение) электронной схемы ЭА на функционально законченные подсхемы (части), выполняющие определенные функции.

Эти подсхемы чаще всего разбиваются на более простые и так до тех пор, пока электронная схема изделия не будет представлена в виде набора модулей разной сложности, а низшим модулем не окажется корпус МС. Модули одного уровня объединяются между собой в ЭА на какой-либо конструктивной основе (несущей конструкции).

Возможен и другой подход к проектированию, когда частям детально разработанной функциональной схемы изделия ставятся в соответствие схемы выбранной серии микросхем, а электрическая схема изделия как бы "покрывается" электрическими схемами микросхем.

При этом отдельные части схемы изделия могут оказаться непокрытыми микросхемами существующих серий, тогда такие подсхемы реализуются дискретными электрорадиоэлементами (ЭРЭ).

В результате будет получен набор корпусов МС и ЭРЭ, реализующий схему изделия. Эти корпуса и ЭРЭ устанавливаются и коммутируются между собой в модулях следующего уровня иерархии, которые устанавливаются и коммутируются в модуле более высокого уровня, и т. д.

В зависимости от сложности проектируемого изделия будет задействовано разное число уровней модульности (уровней конструктивной иерархии).

Конструкция современной ЭА представляет собой некоторую иерархию модулей (порядок в расположении модулей от низшего к высшему), каждая ступень которой называется уровнем модульности.

При выборе числа уровней модульности проводится типизация модулей, т. е. сокращение их разнообразия и установление таких конструкций, которые выполняли бы самые широкие функции в изделиях определенного функционального назначения.

Функциональное многообразие изделий достигается использованием различного числа уровней модульности с возможностью конструктивного оформления высшего и, следовательно, самого сложного модуля в виде законченного изделия.

Выделяют четыре основных и два дополнительных уровня модульности. Под основными понимаются уровни модульности, широко применяемые в разнообразной аппаратуре, под дополнительными -- используемые в специальной аппаратуре, но не всегда. Иерархия модулей и их входимость (установка) приведены на рис. 1, где модули разных уровней отделены двойными вертикальными линиями.

Модулем нулевого уровня является электронный компонент. В зависимости от исполнения аппаратуры модулем нулевого уровня служат ЭРЭ и МС.

Модуль первого уровня -- типовой элемент замены (ТЭЗ) -- представляет собой ПП с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем.

Модуль второго уровня -- блок, основными конструктивными элементами которого является панель с ответными соединителями модулей первого уровня. Межблочная коммутация выполняется соединителями, расположенными по периферии панели блока. Модули первого уровня размещаются в один или несколько рядов. На рис. 1 показан однорядный блок.

Модуль третьего уровня -- стойка, в которой устанавливаются блоки или 2--3 рамы.

Модулем уровня 0,5 является микросборка, состоящая из подложки с размещенными на ней безкорпусными микросхемами. Межмодульная коммутация обеспечивается введением по периферии подложки контактных площадок. Модуль вводится для увеличения плотности компоновки аппаратуры.

Рис. 3.1. Конструктивная иерархия и входимость модулей:

1 -- микросхема; 2 -- бескорпусная микросхема; 3 -- микросборка; 4 - элемент замены (ТЭЗ), ячейка; 5 -- блок; 6 -- рама; 7 -- стойка

Модуль уровня 2,5 представляет собой раму, в которой размещаются 6--8 блоков. Рама применяется в стоечной аппаратуре, использующей небольшие по размерам модули первого уровня.

Модульный принцип конструирования предусматривает несколько уровней коммутации:

1-й уровень -- коммутация печатным и (или) проводным монтажом электронных компонентов на плате;

2-й уровень -- коммутация печатным или объемным монтажом ответных соединителей модулей первого уровня в блоке;

3-й уровень -- электрическое объединение блоков или рам в стойке и стоек между собой жгутами и кабелями;

уровень 0,5 -- электрическое соединение выводов бескорпусных микросхем пленочными проводниками;

уровень 2,5 -- коммутация блоков в раме проводами, жгутами или кабелями.

При разработке несложной аппаратуры высшие уровни модульности отсутствуют. Полная модульность, приведенная на рис. 1, используется только в сложной аппаратуре, например в супер-ЭВМ.

Выражение функционально-узловой метод проектирования широко распространено в отечественной литературе. Этот метод дает подход к разбивке функциональной схемы изделия на узлы (подсхемы), конструктивно выполненные на ПП модулями первого уровня.

В действительности задача проектирования ставится шире, так как сложная аппаратура воплощает не одну схему, а, как правило, несколько структурных или функциональных схем. Поэтому целесообразно говорить о модульном принципе проектирования, подразумевая под этим принципы выделения (разукрупнения, разбивки) схем на функциональные группы разных уровней сложности (узлы, устройства, комплексы, системы) для реализации их конструктивными модулями. Конструктивным модулям можно поставить в соответствие схемные модули, которые так же имеют многоуровневую иерархию и представляют собой функциональные узлы, устройства, комплексы, системы (табл. 1.).

Таблица 1. Связь между конструктивной и схемной модульностью

Необходимо отметить, что приведенная в табл. 1 связь конструктивной и схемной модульности условна. Она имеет отношение к аппаратуре, реализуемой на микросхемах малой степени интеграции, и в общем случае зависит от функциональной сложности проектируемого изделия и степени интеграции применяемых МС.

Дело в том, что в больших интегральных схемах (БИС) реализуются целиком устройства (например, преобразователи, запоминающие устройства) или их крупные фрагменты. Весьма возможно, что несложная система будет конструктивно выполнена на одной печатной плате.

При разбивке структурных и функциональных схем необходимо удовлетворить многим и порой противоречивым требованиям:

функциональной законченности, когда выделяемая подсхема должна обладать необходимой полнотой и выполнять частные функции по приему, обработке, хранению и передаче информации;

минимизации внешних связей подсхем, либо, если электрические соединители модулей выбраны (заданы), чтобы число внешних связей не превысило число контактов соединителя;

максимального заполнения отводимого конструктивного простран ства (поверхности) модулями (компонентами) (по этой же причине компоненты не должны существенно отличаться между собой по габаритным размерам и массе);

модули (компоненты) подсхем должны рассеивать приблизительно одинаковые мощности во избежание местных перегревов;

модули (компоненты) подсхем не должны быть чрезмерно чувстви тельными к электрическим, магнитным и электромагнитным помехам и не должны создавать чрезмерных помех.

Соблюдение требований функциональной законченности покажем на примере разработки конструкции супергетеродинного приемника, состоящего из следующих подсхем: входной цепи, усилителя радиочастоты, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, детектора, усилителя звуковой частоты.

При реализации конструкции радиоприемника каждый функциональный узел можно выполнить на отдельной плате и в то же время всю схему радиоприемника -- на одной плате. В том и другом случае функциональная законченность будет иметь место, но во втором случае общее число внешних связей меньше, и надежность, если все прочие элементы схемы и конструкции одинаковы, окажется выше.

Функциональная законченность будет отсутствовать, если на одной плате выполнена схема входной цепи и часть усилителя радиочастоты, а на другой плате -- оставшаяся часть усилителя радиочастоты и преобразователь частоты.

Функциональная законченность подсхем сокращает число межмодульных электрических соединений, позволяет вносить конструктивные изменения на более поздних стадиях проектирования, упрощает и удешевляет контроль модулей.

Модули высших уровней поставляются разработчикам ЭА в виде базовых несущих конструкций (БНК), которые представляют собой деталь или совокупность деталей, предназначенных для размещения, монтажа составных частей аппаратуры и обеспечения устойчивости ЭА в условиях внешних воздействий. Под БНК понимается стандартная несущая конструкция, служащая для разработки разнообразной ЭА определенного назначения.

Ускорение разработки и производства аппаратуры, увеличение ее серийности, снижение стоимости можно достигнуть унификацией, нормализацией и стандартизацией основных параметров и типоразмеров печатных плат, блоков, приборных корпусов, стоек, широким применением модульного принципа конструирования.

В основе стандартизации модулей и их несущих конструкций лежат типовые функции, свойственные многим электронным системам. Для использования при проектировании модульного принципа конструирования разработаны ведомственные нормали и государственные стандарты, устанавливающие термины, определения, системы типовых конструкций модульных систем.

Конструкционная система прежде всего должна представлять многоуровневое семейство модулей с оптимальным составом набора, обеспечивающим функциональную полноту при построении аппаратуры определенного назначения.

Все модули системы должны быть совместимы между собой по конструктивным, электрическим и эксплуатационным параметрам.

Базовым называется принцип конструирования, при котором частные конструктивные решения реализуются на основе стандартных конструкций модулей или конструкционных систем модулей (базовых конструкций), разрешенных к применению в аппаратуре определенного класса, назначения и объектов установки.

При разработке базовых конструкций должны учитываться особенности современных и, что более важно, будущих разработок. При этом частные конструктивные решения обобщаются, а основные свойства и параметры закладываются в конструкции, которые стандартизуются, поставляются и рекомендуются для широкого применения.

Базовые конструкции не должны быть полностью конструктивно завершенными, необходимо предусматривать возможность их изменения (в основном косметического характера) для создания модификаций аппаратурных решений. Иерархическое построение базовых конструкций с гибкой структурой и числом уровней не более четырех является вполне достаточным для разработки ЭА любой сложности.

При стандартизации параметры конструкций объединяются в параметрические ряды, характеризующиеся совокупностью числовых значений на основе принятых градаций и диапазонов.

Если в качестве параметров ряда используют геометрические размеры конструкции, то говорят не о параметрических, а о размерных рядах. Оба вида рядов получили широкое распространение.

Оптимальными с позиций стандартизации следует считать ряды, обеспечивающие наибольший экономический эффект от их использования и опережающую стандартизацию, т. е. сокращение объема работ, связанных с пересмотром стандартов и их модернизацией (опережающая стандартизация позволяет увеличить сроки действия стандартов).

Для более детального рассмотрения сущности модулей рассмотрим базовый модуль - модули нулевого уровня.

На низшем нулевом уровне конструктивной иерархии ЭА находятся МС. Корпуса МС служат для защиты помещенных в них полупроводниковых кристаллов, подложек и электрических соединений от внешних воздействий, а также для удобства при сборке и монтаже модулей первого уровня. Кристаллы или подложки МС приклеивают или припаивают к основанию корпуса, а выходные контакты подсоединяют к выводам корпуса пайкой или сваркой.

Корпуса микросхем бывают металлостеклянными, металлокерамиче-скими, металлопластмассовыми, стеклянными, керамическими и пластмассовыми.

В первых трех разновидностях корпусов крышка выполняется металлической, а основание -- стеклянным, керамическим или пластмассовым. Металлическая крышка обеспечивает эффективную влагозащиту при хорошем отводе теплоты от кристалла, снижает уровень помех.

В пластмассовых и керамических корпусах крышку и основание выполняют из однородного материала. Основание корпуса соединяют с крышкой пайкой, сваркой или склеиванием. Некоторые корпуса получают путем заливки формы корпуса пластмассой.

На корпус МС наносится маркировка в соответствии с ее условным обозначением и выполняется нумерация выводов относительно ключа или метки. По форме проекции тела корпуса на установочную плоскость и расположению выводов корпуса делят на типы и подтипы.

Для правильной установки МС на плату корпуса имеют ориентир (ключ), расположенный в зоне первого вывода (выводы нумеруются слева направо или по часовой стрелке со стороны расположения выводов). Ключ делается визуальным в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе, выступа на выводе и пр. В поперечном сечении выводы корпусов имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму.

Шаг между выводами составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм.

Типы корпусов микросхем подразделяются на типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, обозначающий тип корпуса и двузначное число порядкового номера типоразмера. Затем через точку указывается количество выводов корпуса.

Например, корпус с 48 выводами и условным обозначением 41,13-48,1 соответствует корпусу четвертого типа, 41-му подтипу с порядковым номером 13. Последняя цифра условного обозначения -- порядковый регистрационный номер. Для МС в экспортном исполнении вместо регистрационного номера вводится латинская буква Е.

Каждый тип корпуса имеет достоинства и недостатки. Корпус с пла-нарными выводами для установки и монтажа требует на печатной плате почти вдвое больше площади, чем тех же размеров корпус, но с ортогональным расположением выводов. Однако установка таких корпусов возможна с двух сторон платы.

Жесткие штыревые выводы с ортогональной ориентацией относительно плоскости основания позволяют устанавливать микросхемы на плату без дополнительной поддержки даже при жестких вибраци-. онных и ударных нагрузках.

При совместной установке микросхем и ЭРЭ для упрощения монтажных работ следует рекомендовать корпуса со штыревыми выводами. Пластмассовые корпуса дешевы, обеспечивают хорошую защиту от механических воздействий, но хуже других типов корпусов защищают от климатических воздействий, перегрева.