Введення
Включення електронних обчислювальних машин (ЕОМ) в цикл проектування радіоелектронної апаратури (РЕА) висунуло на передній план завдання математичного опису радіоелементів (РЕ), що складають ці РЕА, так як достовірність машинних розрахунків параметрів РЕА визначається, в першу чергу, достовірністю опису параметрів РЕ. Комплексний характер робіт в області моделювання РЕА найбільш повно сформульовано Логаном / 1 /, який пов'язав невдалі спроби використання систем автоматизованого проектування електронної апаратури (САПР РЕА) з системним підходом. Такий підхід включає:
- Розробку математичних моделей радіоелементів;
- Перевірку адекватності шляхом порівняння результатів, з характеристиками реалізованих пристроїв радіоелементів САПР РЕА;
- Визначення та опис технологічних розкидів;
- Оцінку впливу змін навколишнього середовища (температура, вологість, механічні дії, радіація тощо);
- Дослідження ефектів старіння з точки зору надійності.
Якщо ж при ретельному дослідженні нехтують хоча б одним з вище перерахованих аспектів з метою спрощення моделі РЕА, то результат моделювання може бути зведений нанівець. Наприклад, при оптимізації без урахування кліматичних факторів або статичних параметрів.
Історично потреба математичного опису РЕА виникла одночасно з застосуванням РЕА. Сучасні вимоги до опису РЕА відрізняються тільки в істотному підвищенні вимог до адекватності моделей, що пов'язано, в першу чергу, з ускладненням функціонального призначення і структури РЕА.
Відносно прості за структурою РЕА та складові їх РЕ дозволяли розробникам після нескладних розрахунків перевіряти результати за допомогою натурного макетування. Це призвело до того, що опис моделей РЕ було також орієнтовано на коригування їх параметрів в процесі проектування РЕА. При необхідності прості моделі та процесі проектування ускладнювалися, якщо в цьому виникала така потреба.
Ускладнення РЕА, пов'язане із застосуванням напівпровідникових елементів (ПЕ), особливо з початком розвитку мікроелектронних радіоелементів (МРЕ), призвело, по-перше, до підвищення вимог до опису РЕ і МРЕ, по-друге, до глобального ускладнення РЕА, по-третє, до різкого обмеження, аж до повного виключення натурного макетування.
Розвиток ЕОМ та вимірювальної техніки, широке впровадження персональних комп'ютерів (ПК), відкрило якісно нові можливості в області САПР РЕА, у тому числі і області моделювання РЕ і МРЕ. У практику впроваджено:
- Потужні методи САПР РЕА, наприклад система Pspice / 2 /;
- Моделі РЕ і МРЕ, що дозволяють виробляти адекватне опис характеристик реальних пристроїв;
- Автоматизовані технічні засоби вимірювання (АТСІ) на базі ПК, застосування яких дозволяє ідентифікувати параметри моделі РЕА в обмежений час з необхідною точністю.
Аналіз як структури прийнятих моделей РЕ і МРЕ, так і прийнятих методів вимірювання їх параметрів приходить до наступних висновків:
- Підвищення точності пов'язано з ускладненням структури моделей, що в більшості випадків для їх ефективного практичного використання призводить до їх усікання (спрощення), наприклад, модель біполярного транзистора, що містить до 59 компонентів (модель Гуммеля-Пунна) спрощується до 12 компонентів (класична модель Еберса -Молла);
- Виникають природні труднощі атестації складних моделей (збільшення числа параметрів призводить до збільшення часу і витрат на моделювання).
Розробники САПР РЕА PSpice чітко представляють ці проблеми. У зв'язку з цим в системі PSpice передбачено застосування проблемно орієнтованих макромоделей. Ці моделі, в тому числі і транзистора, за бажанням користувача, шляхом обмеження області визначення параметрів за режимом електроживлення, по постійному струмі, частотного діапазону, температури і інших умов дозволяють у кінцевому підсумку підвищити ефективність проектування за рахунок, по-перше, зменшення числа параметрів , по-друге, різкого зниження кількості розрахункових операцій, які виконуються в процесі розрахунку РЕА. Так, при використанні в PSpice вбудованої малосигнальний моделі біполярного транзистора (БТ) число необхідних параметрів знаходиться в межах від 29 (модель Еберса-Молла у версії Логана) до 59 (модель Гуммеля-Пунна), тоді як використання у фіксованому режимі електроживлення по постійному струму і обмеженому діапазоні частот макромодель БТ на основі Y-матриці буде містити 8'N j речових параметрів, де N j - число атестуються частотних точок. При цьому визначення параметрів БТ на поточному частоті проводиться за допомогою елементарних обчислювальних операцій.
Якщо макромодель БТ визначена за даними вбудованої глобальної моделі БТ, то її точність буде визначена точністю вихідної моделі. Використання непрямих методів ідентифікації параметрів вбудованої моделі неминуче призводить до зниження точності моделювання.
Завдання по підвищенню точності моделювання можна вирішити, наприклад, шляхом використання прямих методів застосування Y-матриці транзистора. Сучасні вимірювальні прилади дозволяють реалізувати дані вимірювання тільки в першому наближенні, так пряме вимірювання малосигнальних параметрів "чорного ящика" виробляють, як правило, в коаксіальному тракті з хвильовим опором 50 Ом. неминучі суттєві похибки вимірювання параметрів компонентів значно відрізняються від 50 Ом.
Основними перешкодами для здійснення ефективного вимірювання параметрів малосигнальних макромоделей є:
- Необхідність виконання складних з технічної точки зору операцій за погодженням вимірювальних ланцюгів на предмет відсутності відображених хвиль;
- Помилки, пов'язані з використанням спрямованих відгалужувачів, які потрібно розглядати як додаткові неоднорідності вимірювального тракту, причому частотно-залежні.
Недоліками застосовуваних вимірювальних приладів також є суперечності, пов'язані з впровадженням класичних "ручних" методів вимірювання в практику автоматизованих вимірів. Ця проблема може бути вирішена шляхом розробки і впровадження алгоритмічних машинно-орієнтованих методів вимірювання.
В організаційно-економічної частини розглянуті питання визначення трудомісткості ДКР, договірної ціни теми; проведено техніко-економічне обгрунтування нової конструкції; розрахована точка беззбиткового обсягу.
У розділі безпеки життєдіяльності розглянуто вимоги до приміщень, в яких ведеться робота на персональних комп'ютерах (ПК); питання безпеки при безпосередній роботі на ПК; приділено увагу питанням електробезпеки та пожежної безпеки.
Авторами були безпосередньо написані наступні пункти та підпункти:
Маліковим О.М. - П.1; п.п.2.1; п.п.2.2; п.п.2.2; п.п.2.3; п.п.3.4.1; п.п.3.4.2;
п.п.3.4.3; п.п.3.5; п.п.4.1; п.п.4.2; п.п.5.2; п.п.6.2.7; п.п.6.2.8;
п.п.6.2.9; п.п.6.2.10; п.п.6.2.11; п.п.6.2.12; п.п.6.2.13;
п.п.6.3; п.п.7.1; п.п.7.3; п.п.7.4; п.п.7.5; п.п.8.1;
Казьмін Д.Ю. - П.1; п.п.2.4; п.п.2.5.1; п.п.2.5.2; п.п.2.5.3; п.п.3.1.1;
п.п.3.1.2; п.п.3.2; пп.3.3; п.п.4.3; п.п.5.1; п.п.6.1.1; п.п.6.1.2;
п.п.6.1.3; п.п.6.2.1; п.п.6.2.2; п.п.6.2.3; п.п.6.2.4; п.п.6.2.5;
п.п.6.2.6; п.п.7.2.1; п.п.7.2.2; п.п.7.2.3; п.п.7.2.4; п.п.8.2;
1. Аналіз технічного завдання
Технічне завдання (ТЗ) наведено в додатку 1.
З принципових схем плат безпосередньо випливає, що вони являють собою відносно прості пристрої, так що особливих труднощів при розробці цих плат не уявляється.
З літературних даних / 5 / випливає, що діапазон регулювання струму і напруги колектора, а також п.2.2 технічного завдання цілком реалізувати.
Пристрій призначений для роботи в стаціонарних лабораторних умовах, тому особливі заходи для підвищення стійкості до зовнішніх впливів не застосовуються, так само відсутні тверді вимоги за масою і габаритами, що дозволяє не проводити додаткові заходи щодо їх зменшення. Умови експлуатації згідно першої групи ГОСТ 16019-78 передбачають роботу пристрою в стаціонарній апаратурі в опалювальному приміщенні. Для апаратури даної групи визначені основні дестабілізуючі чинники згідно / 16 /:
вплив мінімальної низької температури 233 0 До;
вплив максимальної низької температури 278 0 До;
вплив мінімальної підвищеної температури 313 0 До;
вплив максимальної підвищеної температури 328 0 До;
вплив підвищеної вологості 80% при температурі 298 0 К;
вплив зниженого атмосферного тиску 61 кПа при температурі 263 0 К;
міцність при синусоїдальних вібраціях з частотою 20 Гц і прискоренням 19,6 м / с 2 протягом часу безперервного впливу більш 0,5 ч.
При аналізі наведених факторів можна зробити висновок про можливість не робити спеціальних заходів щодо захисту від дестабілізуючих впливів цих впливів.
Згідно ТЗ підставою плат є касета кошика бази 2 ВНДІТ м. С-Петербург. Попередні дослідження приводять до висновку про можливість розміщення всього пристрою на одній платі.
Так як пристрій повинен відповідати технології одиничного виробництва, то в ньому повинні бути використані серійні і доступні радіоелементи, а так само традиційні конструкційні матеріали. Жорстких вимог до них у зв'язку з нежорсткими умовами експлуатації не уявляється. Вимоги до ергономіки звичайні і пов'язані тільки з зручністю експлуатації блоку. Вимоги до надійності теж є звичайними для такого виду апаратури.
З викладеного вище випливає, що реалізація конструкції не пов'язана з якими-небудь суттєвими труднощами.
2. Математичні моделі радіоелектронних елементів
2.1 Формальна модель багатополюсного радіоелементу
Формальну модель багатополюсного радіоелементу (ФММР) представимо у вигляді багатополюсників (МП) який містить безліч N зовнішніх полюсів для його електроживлення по змінному і постійному струмі. У якості змінних, які визначають процеси в ФММР, приймемо вхідні струми полюсів i 1, i 2 ... i n різниці потенціалів j i-j l = U il (i ¹ l) і додаткові змінні x 1, x 2 ... x q, j l - потенціал базового полюса, щодо якого відраховується напруга U il, j i - потенціали інших полюсів (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 - Графічне представлення ФММР
У загальному випадку процеси у формальному багатополюсників (ФМП) можна уявити нелінійними диференціальними рівняннями виду
(2.1)
(2.2)
(2.3)
де I, U - вектор-функції зумовлені струмами і напругами
на полюсах;
F i і f p - деякі функції, в загальному випадку нелінійні;
Х - вектор-функція часу зі складовими х 1, х 2, ... х q, які
пов'язані з різними фізичними величинами в залежності від
принципів побудови моделі.
2.2 Структура ФММР
Крім безлічі N полюсів, структуру ФММР представляють під безліч А полюсів для електроживлення по змінному струму в процесі перетворення сигналів і під безліч S полюсів для електроживлення МП по постійному струмі для створення робочого режиму.
Зв'язок між множинами A, S і N визначає вираз
А £ N, S £ N. (2.4)
Нехай а-розмір А, а b i - його елемент при i = 1, a, s-розмір S, З j - його елемент при j = 1, s.
У разі ФМП безліч полюсів N представляє собою об'єднання полюсів A і S, тобто
N = AUS. (2.5)
При цьому можливі наступні відносини між A, S і N.
Для пасивних пристроїв
S = 0, A = N. (2.6)
Для пристроїв постійного струму, для яких миттєвими вимірами сигналів у часі можна знехтувати
A = 0, S = N. (2.7)
Підмножини A і S збігаються (наприклад для транзистора)
A = S = N. (2.8)
Для пристроїв типу операційного підсилювача
AÌS = N. (2.9)
Полюса А і S ізольовані один від одного (деякі інтегральні схеми)
AÌS, N = A + S. (2.10)
Умови (2.6) - (2.10) необхідно враховувати як при конкретному застосуванні МП, так і при організації процесу вимірювання його параметрів.
2.3 Базовий вузол ФММР
В якості базового вузла ФММР можна вибрати будь-який з його полюсів і навіть об'єднати декілька полюсів. У цьому випадку порядок МП знизиться на число полюсів прийнятих як базових, і його модель принципово спроститься.
З іншого боку базовий вузол може бути зовнішнім по відношенню до МП, тобто електрично з МП не пов'язаний. У цьому випадку перший закон Кірхгофа для миттєвих струмів, що втікають в N-полюснік, може бути записаний у вигляді
А лінійні пристрої будуть мати особливі матриці параметрів, тобто сума елементів цих матриць по рядках і стовпцях буде дорівнює 0.
У зв'язку з цим для опису ФММР досить ідентифікувати N-1 рядків і стовпців.
2.4 Структура елементної бази
Структура елементної бази РЕА наведена на малюнку 2.2.
Згідно малюнку 2.2 елементна база (ЕБ) підрозділяється на двухполюсник (ДП) і багатополюсників (МП). Вважаємо за необхідне виділити ДП в окреме підмножина на увазі їх виняткового значення в якості компонент, на основі яких конструюється більш складні за структурою і призначенням компоненти, в тому числі і МП. ДП та МП у свою чергу поділяються на пасивні (ПЕ) і активні (АЕ) елементи. АЕ відрізняються від ПЕ тим, що режим їх функціонування обов'язково визначають додаткові чинники, наприклад, струми напруги зміщення робочої точки. Підкласами П і А є елементи: дискретні елементи (Д) - елементи з зосередженими постійними параметрами, відносно простий конструкції та принципу дії (резистори, конденсатори, транзистори і т.п.); з розподіленими параметрами (РП); Акустоелектронні елементи (АЕ) ; функціональні елементи (ФЕ); інтегральні схеми (ІС); цифрові елементи (ЦЕ). По суті, підкласи елементів, які визначають структуру АЕ і ПЕ, збігаються за винятком ЦЕ, які є особливим підкласом активних елементів, елементарних логічних ІС до найскладніших мікропроцесорних пристроїв.
Включення електронних обчислювальних машин (ЕОМ) в цикл проектування радіоелектронної апаратури (РЕА) висунуло на передній план завдання математичного опису радіоелементів (РЕ), що складають ці РЕА, так як достовірність машинних розрахунків параметрів РЕА визначається, в першу чергу, достовірністю опису параметрів РЕ. Комплексний характер робіт в області моделювання РЕА найбільш повно сформульовано Логаном / 1 /, який пов'язав невдалі спроби використання систем автоматизованого проектування електронної апаратури (САПР РЕА) з системним підходом. Такий підхід включає:
- Розробку математичних моделей радіоелементів;
- Перевірку адекватності шляхом порівняння результатів, з характеристиками реалізованих пристроїв радіоелементів САПР РЕА;
- Визначення та опис технологічних розкидів;
- Оцінку впливу змін навколишнього середовища (температура, вологість, механічні дії, радіація тощо);
- Дослідження ефектів старіння з точки зору надійності.
Якщо ж при ретельному дослідженні нехтують хоча б одним з вище перерахованих аспектів з метою спрощення моделі РЕА, то результат моделювання може бути зведений нанівець. Наприклад, при оптимізації без урахування кліматичних факторів або статичних параметрів.
Історично потреба математичного опису РЕА виникла одночасно з застосуванням РЕА. Сучасні вимоги до опису РЕА відрізняються тільки в істотному підвищенні вимог до адекватності моделей, що пов'язано, в першу чергу, з ускладненням функціонального призначення і структури РЕА.
Відносно прості за структурою РЕА та складові їх РЕ дозволяли розробникам після нескладних розрахунків перевіряти результати за допомогою натурного макетування. Це призвело до того, що опис моделей РЕ було також орієнтовано на коригування їх параметрів в процесі проектування РЕА. При необхідності прості моделі та процесі проектування ускладнювалися, якщо в цьому виникала така потреба.
Ускладнення РЕА, пов'язане із застосуванням напівпровідникових елементів (ПЕ), особливо з початком розвитку мікроелектронних радіоелементів (МРЕ), призвело, по-перше, до підвищення вимог до опису РЕ і МРЕ, по-друге, до глобального ускладнення РЕА, по-третє, до різкого обмеження, аж до повного виключення натурного макетування.
Розвиток ЕОМ та вимірювальної техніки, широке впровадження персональних комп'ютерів (ПК), відкрило якісно нові можливості в області САПР РЕА, у тому числі і області моделювання РЕ і МРЕ. У практику впроваджено:
- Потужні методи САПР РЕА, наприклад система Pspice / 2 /;
- Моделі РЕ і МРЕ, що дозволяють виробляти адекватне опис характеристик реальних пристроїв;
- Автоматизовані технічні засоби вимірювання (АТСІ) на базі ПК, застосування яких дозволяє ідентифікувати параметри моделі РЕА в обмежений час з необхідною точністю.
Аналіз як структури прийнятих моделей РЕ і МРЕ, так і прийнятих методів вимірювання їх параметрів приходить до наступних висновків:
- Підвищення точності пов'язано з ускладненням структури моделей, що в більшості випадків для їх ефективного практичного використання призводить до їх усікання (спрощення), наприклад, модель біполярного транзистора, що містить до 59 компонентів (модель Гуммеля-Пунна) спрощується до 12 компонентів (класична модель Еберса -Молла);
- Виникають природні труднощі атестації складних моделей (збільшення числа параметрів призводить до збільшення часу і витрат на моделювання).
Розробники САПР РЕА PSpice чітко представляють ці проблеми. У зв'язку з цим в системі PSpice передбачено застосування проблемно орієнтованих макромоделей. Ці моделі, в тому числі і транзистора, за бажанням користувача, шляхом обмеження області визначення параметрів за режимом електроживлення, по постійному струмі, частотного діапазону, температури і інших умов дозволяють у кінцевому підсумку підвищити ефективність проектування за рахунок, по-перше, зменшення числа параметрів , по-друге, різкого зниження кількості розрахункових операцій, які виконуються в процесі розрахунку РЕА. Так, при використанні в PSpice вбудованої малосигнальний моделі біполярного транзистора (БТ) число необхідних параметрів знаходиться в межах від 29 (модель Еберса-Молла у версії Логана) до 59 (модель Гуммеля-Пунна), тоді як використання у фіксованому режимі електроживлення по постійному струму і обмеженому діапазоні частот макромодель БТ на основі Y-матриці буде містити 8'N j речових параметрів, де N j - число атестуються частотних точок. При цьому визначення параметрів БТ на поточному частоті проводиться за допомогою елементарних обчислювальних операцій.
Якщо макромодель БТ визначена за даними вбудованої глобальної моделі БТ, то її точність буде визначена точністю вихідної моделі. Використання непрямих методів ідентифікації параметрів вбудованої моделі неминуче призводить до зниження точності моделювання.
Завдання по підвищенню точності моделювання можна вирішити, наприклад, шляхом використання прямих методів застосування Y-матриці транзистора. Сучасні вимірювальні прилади дозволяють реалізувати дані вимірювання тільки в першому наближенні, так пряме вимірювання малосигнальних параметрів "чорного ящика" виробляють, як правило, в коаксіальному тракті з хвильовим опором 50 Ом. неминучі суттєві похибки вимірювання параметрів компонентів значно відрізняються від 50 Ом.
Основними перешкодами для здійснення ефективного вимірювання параметрів малосигнальних макромоделей є:
- Необхідність виконання складних з технічної точки зору операцій за погодженням вимірювальних ланцюгів на предмет відсутності відображених хвиль;
- Помилки, пов'язані з використанням спрямованих відгалужувачів, які потрібно розглядати як додаткові неоднорідності вимірювального тракту, причому частотно-залежні.
Недоліками застосовуваних вимірювальних приладів також є суперечності, пов'язані з впровадженням класичних "ручних" методів вимірювання в практику автоматизованих вимірів. Ця проблема може бути вирішена шляхом розробки і впровадження алгоритмічних машинно-орієнтованих методів вимірювання.
В організаційно-економічної частини розглянуті питання визначення трудомісткості ДКР, договірної ціни теми; проведено техніко-економічне обгрунтування нової конструкції; розрахована точка беззбиткового обсягу.
У розділі безпеки життєдіяльності розглянуто вимоги до приміщень, в яких ведеться робота на персональних комп'ютерах (ПК); питання безпеки при безпосередній роботі на ПК; приділено увагу питанням електробезпеки та пожежної безпеки.
Авторами були безпосередньо написані наступні пункти та підпункти:
Маліковим О.М. - П.1; п.п.2.1; п.п.2.2; п.п.2.2; п.п.2.3; п.п.3.4.1; п.п.3.4.2;
п.п.3.4.3; п.п.3.5; п.п.4.1; п.п.4.2; п.п.5.2; п.п.6.2.7; п.п.6.2.8;
п.п.6.2.9; п.п.6.2.10; п.п.6.2.11; п.п.6.2.12; п.п.6.2.13;
п.п.6.3; п.п.7.1; п.п.7.3; п.п.7.4; п.п.7.5; п.п.8.1;
Казьмін Д.Ю. - П.1; п.п.2.4; п.п.2.5.1; п.п.2.5.2; п.п.2.5.3; п.п.3.1.1;
п.п.3.1.2; п.п.3.2; пп.3.3; п.п.4.3; п.п.5.1; п.п.6.1.1; п.п.6.1.2;
п.п.6.1.3; п.п.6.2.1; п.п.6.2.2; п.п.6.2.3; п.п.6.2.4; п.п.6.2.5;
п.п.6.2.6; п.п.7.2.1; п.п.7.2.2; п.п.7.2.3; п.п.7.2.4; п.п.8.2;
1. Аналіз технічного завдання
Технічне завдання (ТЗ) наведено в додатку 1.
З принципових схем плат безпосередньо випливає, що вони являють собою відносно прості пристрої, так що особливих труднощів при розробці цих плат не уявляється.
З літературних даних / 5 / випливає, що діапазон регулювання струму і напруги колектора, а також п.2.2 технічного завдання цілком реалізувати.
Пристрій призначений для роботи в стаціонарних лабораторних умовах, тому особливі заходи для підвищення стійкості до зовнішніх впливів не застосовуються, так само відсутні тверді вимоги за масою і габаритами, що дозволяє не проводити додаткові заходи щодо їх зменшення. Умови експлуатації згідно першої групи ГОСТ 16019-78 передбачають роботу пристрою в стаціонарній апаратурі в опалювальному приміщенні. Для апаратури даної групи визначені основні дестабілізуючі чинники згідно / 16 /:
вплив мінімальної низької температури 233 0 До;
вплив максимальної низької температури 278 0 До;
вплив мінімальної підвищеної температури 313 0 До;
вплив максимальної підвищеної температури 328 0 До;
вплив підвищеної вологості 80% при температурі 298 0 К;
вплив зниженого атмосферного тиску 61 кПа при температурі 263 0 К;
міцність при синусоїдальних вібраціях з частотою 20 Гц і прискоренням 19,6 м / с 2 протягом часу безперервного впливу більш 0,5 ч.
При аналізі наведених факторів можна зробити висновок про можливість не робити спеціальних заходів щодо захисту від дестабілізуючих впливів цих впливів.
Згідно ТЗ підставою плат є касета кошика бази 2 ВНДІТ м. С-Петербург. Попередні дослідження приводять до висновку про можливість розміщення всього пристрою на одній платі.
Так як пристрій повинен відповідати технології одиничного виробництва, то в ньому повинні бути використані серійні і доступні радіоелементи, а так само традиційні конструкційні матеріали. Жорстких вимог до них у зв'язку з нежорсткими умовами експлуатації не уявляється. Вимоги до ергономіки звичайні і пов'язані тільки з зручністю експлуатації блоку. Вимоги до надійності теж є звичайними для такого виду апаратури.
З викладеного вище випливає, що реалізація конструкції не пов'язана з якими-небудь суттєвими труднощами.
2. Математичні моделі радіоелектронних елементів
2.1 Формальна модель багатополюсного радіоелементу
Формальну модель багатополюсного радіоелементу (ФММР) представимо у вигляді багатополюсників (МП) який містить безліч N зовнішніх полюсів для його електроживлення по змінному і постійному струмі. У якості змінних, які визначають процеси в ФММР, приймемо вхідні струми полюсів i 1, i 2 ... i n різниці потенціалів j i-j l = U il (i ¹ l) і додаткові змінні x 1, x 2 ... x q, j l - потенціал базового полюса, щодо якого відраховується напруга U il, j i - потенціали інших полюсів (рисунок 2.1).
|
i 1 |
i 2 |
i i |
i n |
i l |
Рисунок 2.1 - Графічне представлення ФММР
У загальному випадку процеси у формальному багатополюсників (ФМП) можна уявити нелінійними диференціальними рівняннями виду
(2.1)
(2.2)
(2.3)
де I, U - вектор-функції зумовлені струмами і напругами
на полюсах;
F i і f p - деякі функції, в загальному випадку нелінійні;
Х - вектор-функція часу зі складовими х 1, х 2, ... х q, які
пов'язані з різними фізичними величинами в залежності від
принципів побудови моделі.
2.2 Структура ФММР
Крім безлічі N полюсів, структуру ФММР представляють під безліч А полюсів для електроживлення по змінному струму в процесі перетворення сигналів і під безліч S полюсів для електроживлення МП по постійному струмі для створення робочого режиму.
Зв'язок між множинами A, S і N визначає вираз
А £ N, S £ N. (2.4)
У разі ФМП безліч полюсів N представляє собою об'єднання полюсів A і S, тобто
N = AUS. (2.5)
При цьому можливі наступні відносини між A, S і N.
Для пасивних пристроїв
S = 0, A = N. (2.6)
Для пристроїв постійного струму, для яких миттєвими вимірами сигналів у часі можна знехтувати
A = 0, S = N. (2.7)
Підмножини A і S збігаються (наприклад для транзистора)
A = S = N. (2.8)
Для пристроїв типу операційного підсилювача
AÌS = N. (2.9)
Полюса А і S ізольовані один від одного (деякі інтегральні схеми)
AÌS, N = A + S. (2.10)
Умови (2.6) - (2.10) необхідно враховувати як при конкретному застосуванні МП, так і при організації процесу вимірювання його параметрів.
2.3 Базовий вузол ФММР
В якості базового вузла ФММР можна вибрати будь-який з його полюсів і навіть об'єднати декілька полюсів. У цьому випадку порядок МП знизиться на число полюсів прийнятих як базових, і його модель принципово спроститься.
З іншого боку базовий вузол може бути зовнішнім по відношенню до МП, тобто електрично з МП не пов'язаний. У цьому випадку перший закон Кірхгофа для миттєвих струмів, що втікають в N-полюснік, може бути записаний у вигляді
|
А лінійні пристрої будуть мати особливі матриці параметрів, тобто сума елементів цих матриць по рядках і стовпцях буде дорівнює 0.
У зв'язку з цим для опису ФММР досить ідентифікувати N-1 рядків і стовпців.
2.4 Структура елементної бази
Структура елементної бази РЕА наведена на малюнку 2.2.
Згідно малюнку 2.2 елементна база (ЕБ) підрозділяється на двухполюсник (ДП) і багатополюсників (МП). Вважаємо за необхідне виділити ДП в окреме підмножина на увазі їх виняткового значення в якості компонент, на основі яких конструюється більш складні за структурою і призначенням компоненти, в тому числі і МП. ДП та МП у свою чергу поділяються на пасивні (ПЕ) і активні (АЕ) елементи. АЕ відрізняються від ПЕ тим, що режим їх функціонування обов'язково визначають додаткові чинники, наприклад, струми напруги зміщення робочої точки. Підкласами П і А є елементи: дискретні елементи (Д) - елементи з зосередженими постійними параметрами, відносно простий конструкції та принципу дії (резистори, конденсатори, транзистори і т.п.); з розподіленими параметрами (РП); Акустоелектронні елементи (АЕ) ; функціональні елементи (ФЕ); інтегральні схеми (ІС); цифрові елементи (ЦЕ). По суті, підкласи елементів, які визначають структуру АЕ і ПЕ, збігаються за винятком ЦЕ, які є особливим підкласом активних елементів, елементарних логічних ІС до найскладніших мікропроцесорних пристроїв.
ЕБ |
ДП |
ПЕ |
МП |
Д |
РП |
АЕ |
ФЕ |
ІС |
ЦЕ |
АЕ |
Рисунок 2.2 - Структура елементної бази РЕА.
2.5 Моделі РЕ для САПР електронних схем
2.5.1 Вбудовані моделі
У сучасних САПР електронних схем, наприклад, PSpice широко використовуються вбудовані моделі. У системі PSpice до складу цих моделей входять моделі діода, біполярного транзистора, канального польового транзистора, МОП-транзистора і магнітного сердечника. Зазначені моделі дозволяють розраховувати статичні лінійні і нелінійні динамічні режими. В основу моделей діодів і транзисторів покладені ідеї висунуті Еберсом і Молл. У цих моделях відображені досягнення останніх десятиліть.
До переваг вбудованих моделей можна віднести:
- Елементи, зазначені вище, можна атестувати за довідковими даними;
- Залежно від розв'язуваної задачі можна визначити рівень складності моделей, тим самим оптимізуючи процес обчислення;
- Для МОП транзистора пропонується 4 рівня складності, а для біполярного транзистора 3, крім моделей Гуммеля-Пунна аттестуемой 59 параметрами і константами.
Також передбачені усічене використання моделей Еберса-Молла на основі 16-20 параметрів, надання користувачу коригування вбудованих моделей.
До недоліків вбудованих моделей, наведених в літературі / 2 / слід віднести їх складність. Аналіз показує, що для розрахунку малосигнальний моделі біполярного транзистора потрібно використовувати практично весь математичний апарат нелінійного варіанту його моделі.
Також до недоліків слід віднести обмежений частотний діапазон. За даними / 2 / частотний діапазон біполярного транзистора обмежений 100 МГц. Відсутність достатнього обсягу довідкової інформації та пов'язаної з цим необхідність організації збору додаткової інформації, шляхом реалізації додаткових вимірювальних процесів.
2.5.2 Макромоделі
В САПР високого рівня (наприклад, PSpice) передбачено використання макромоделей ряду елементів (операційні підсилювачі, компаратори напруги, СВЧ транзистори, нелінійні резистори, конденсатори і т.п.) ідентифікація параметрів яких виробляється користувачем. Успіх моделювання в цьому випадку визначають методи і умови вимірювання. Користувачеві надається можливість ідентифікації параметрів моделі в умовах, найбільш наближеному до реального використання. Так вбудовані моделі в бібліотеці PSpice адекватні на частотах тільки до 100 МГц, то макромоделі, в тому числі малосигнальний моделі мають велике значення при розрахунках електронних схем НВЧ діапазону. Також представляють великий практичний інтерес методи вимірювання параметрів цих моделей.
Другий спосіб побудови високочастотних моделей транзисторів заснований на застосуванні їх малосигнальних схем заміщення. У такому випадку спочатку за допомогою типових моделей транзисторів розраховується режим ланцюга по постійному струму і для цього режиму вимірюються, або розраховуються, Y-або S-параметри транзисторів в заданому діапазоні частот. Розглянемо ці схеми заміщення для програми PSpice докладніше.
Макромодель на основі Y-параметрів. Нагадаємо рівняння лінійного 4-полюсніка (малюнку 2.3) в системі Y-параметрів
Малюнок. 2.3 - Лінійний 4-полюснік
Цій системі рівнянь поставимо у відповідність схему заміщення транзистора на основі Ітуні (рисунок 2.4).
Малюнок 2.4 - Макромодель транзистора на основі Y-параметрів
Наведемо приклад формальної макромоделі транзистора КТ315В на основі Y-параметрів, виміряних на частотах 5, 10 і 30 МГц для струму колектора I к = 5 мА:
. Subckt KT315V 2 1 3
G11 3 січня FREQ {V (1,3)} =
+ (5e6, -50.3, 31.6) (10e6, -48.0, 36.9) (30e6, -44.3, 41.0)
G12 3 січня FREQ {V (2,3)} =
+ (5e6, -78.4, 181.9) (10e6, -72.7, 184.5) (30e6, -63.1, 183.7)
G21 2 Березня FREQ {V (1,3)} =
+ (5e6, -18.7, -20.8) (10e6, -20.0, -31.9) (30e6, -25.5, -44.2)
G22 2 Березня FREQ {V (2,3)} =
+ (5e6, -67.4, 63.4) (10e6, -63.3, 56.3) (30e6, -59.4, 54.1)
. Ends
При табличному завданні керованих джерел в частотній області для кожного значення частоти вказується модуль передавальної функції в децибелах і її фаза в градусах.
Макромодель на основі S-параметрів. У діапазоні НВЧ більше поширення мають лінійні макромоделі транзисторів на основі S-параметрів, які в цьому діапазоні частот простіше вимірювати, ніж Y-параметри. Нагадаємо, що для 4-полюсніка на малюнку 2.3 справедливо наступне рівняння в термінах S-параметрів:
де
Z
З цих співвідношень випливають рівняння для вхідної і вихідної напруги, до яких входять керовані джерела напруги:
де
На основі цієї системи рівнянь складається лінеаризовані схема заміщення НВЧ-транзистора (рисунок 2.5). В якості прикладу наведемо опис макромоделі арсенід-галлиевого польового транзистора 3П343 в діапазоні частот 4 ... 12 ГГц при напрузі затвора 2 В і струмі стоку 10 мА:
. Subckt 3P343 2 1 3
RZ1 1 листопада 1950
RZ2 21 лютого 1950
E11 листопада 1912 FREQ {V (1,3) + V (1,11)} =
+ (4e9, -0.35, -28.3) (5e9, -0.54, -33.2) (6e9, -0.58, -35.9)
+ (7e9, -1.21, -41.9) (8e9, -1.01, -67.1) (9e9, -2.85, -56.9)
+ (10e9, -4.29, -32.8) (11e9, -1.94, -56.9) (12e9, -0.63, -65.2)
E12 12 березня FREQ {V (2,3) + V (2,21)} =
+ (4e9, -32.5, 77.0) (5e9, -29.5, 62.0) (6e9, -29.2, 72.4)
+ (7e9, -27.3, 65.0) (8e9, -23.5, 15.0) (9e9, -29.0, 66.1)
+ (10e9, -23.4, 36.6) (11e9, -25.4, 61.7) (12e9, -22.1, 40.4)
E21 21 22 FREQ {V (1,3) + V (1,11)} =
+ (4e9, 0.82, 149.8) (5e9, 2.30, 131.1) (6e9, 0.74, 134.3)
+ (7e9, 1.26, 129.0) (8e9, 0.43, 105.5) (9e9, 0.11, 123.2)
+ (10e9, 3.92, 87.5) (11e9, 2.40, 110.1) (12e9, 4.10, 85.0)
E22 22 березня FREQ {V (2,3) + V (2,21)} =
+ (4e9, -2.16, -26.4) (5e9, -1.21, -49.1) (6e9, -2.27, -45.1)
+ (7e9, -2.21, -34.4) (8e9, -2.62, -54.5) (9e9, -2.73, -52.7)
+ (10e9, -3.74, -17.2) (11e9, -3.48, -65.1) (12e9, -4.44, -62.4)
. Ends
2.5.3 Факторні моделі
Під факторної моделлю будимо розуміти аналітичну макромодель, сформовану за результатами вимірювання параметрів РЕ в процесі реалізації активного факторного експерименту. Кожен параметр у цьому випадку може бути виражений поліномінальної
|
або мультиплікативно
|
де
G i - атестується параметр;
p i - постійна факторного рівняння;
g ij - парціальний факторне рівняння, що представляє аналітичну
залежність від j фактора;
x j - фактор представляє функцію g ij.
У такий спосіб можуть бути атестовані як статичні параметри, наприклад у вигляді вольт-амперних характеристик (ВАХ), так і динамічні параметри, наприклад у вигляді Y-параметрів. У першу чергу факторний простір визначає частотний діапазон, режим електроживлення по постійному струму і температура. Можуть бути додані і інші чинники, здатні впливати на значення параметрів моделі.
У загальному вигляді факторна модель може бути виражена двома рівняннями. Рівняння ВАХ
I = I (X) (2.17)
і рівнянням
Y = Y (w, X) (2.18)
де I - вектор струмів, що визначають робочу точку;
Х - вектор факторів за винятком частоти;
Y - матриця провідностей;
w - кутова частота.
Кожну з речових складових рівнянь (2.17) і (2.18) визначають у вигляді аналітичних залежностей (2.15) або (2.16).
Факторна модель найбільш повно відповідає аналітичним макромоделі, опис яких наведено у п. 2.5.2. Вимірювання статичних і фізичних параметрів факторних моделей може бути автоматизовано при використанні способу по АС СРСР № 1317370 / 3 / пристроїв по АС СРСР № 1084709 / 5 /. Спосіб / 3 / і пристрої / 6,7 / не має принципових відмінностей по частотного діапазону і можуть бути застосовані в НВЧ діапазоні. Використання цих пристроїв при застосуваннях до СВЧ має певні переваги, тому що для реалізації основних вимірювальних операцій не обов'язкове застосування узгодженого хвильового тракту. Однак і в цьому випадку при конструюванні вимірювальних ланцюгів, які містять ІГ необхідно враховувати специфіку кіл НВЧ діапазону.
Інформація, представлена рівняннями (2.17) і (2.18) в принципі достатня для опису макромоделей, наведених в / 8 /. Наприклад, для ідентифікації моделі Еберса-Молла потрібно розширити систему (2.17) і (2.18) додавши дані про інверсному режимі включення транзистора. При цьому рівняння (2.18) використовується для визначення нелінійних залежностей ємностей переходів транзистора.
3 Тестер для вимірювання параметрів радіоелектронних елементів
3.1 Методика вимірювання
3.1.1 Вимірювання статичних параметрів
В інтегрованих САПР для розрахунку транзисторних схем в режимі великого сигналу, як правило, використовують моделі Еберса-Молла або Гуммеля-Пуна, засновані на суперпозиції прямого і інверсного включення транзистора / 2,10 /. У цьому випадку неминучі спотворення модельованих вольтамперних характеристик (ВАХ), так як в основі їх опису закладені властивості ідеального pn переходу, зміщеного в прямому або зворотному напрямку.
У зв'язку з цим класичне визначення ВАХ пов'язане з безпосереднім вимірюванням струмів і напруг на вхідних і вихідних електродах транзистора має принципове значення як для коригування зазначених вище моделей, так і для вивчення тонкої структури процесів в транзисторі / 11-13 /.
У процесі планування експерименту при моделюванні радіоелементів важливу роль має вибір безпосередньо вимірюваної системи параметрів з точки зору сумісності з вимогами до обумовленої моделі, методів та технічних засобів вимірювання в першу чергу повинні бути реалізовані дві головні умови, по-перше, скорочення часу і матеріальних витрат на етапі збору та обробки первинної інформації, по-друге, широке використання алгоритмічних методів вимірювання, що дозволяють при реалізації простих методів вимірювання отримати складні моделі шляхом глибокої математичної обробки інформації.
Вимірювання ВАХ транзистора можна комплексно автоматизувати використавши методику вимірювання за А.С. СРСР № 1084709 / 13 /. При цьому надається можливим в процесі вимірювання ВАХ так само визначати дані, достатні для обчислення Y-параметрів транзистора в кожній з точок спектру плану експерименту, який реалізується в процесі вимірювання ВАХ. При цьому аттестіруется система ВАХ
|
U б = U б (I k, U k),
де I б і U б - струм і напруги бази транзистора відповідно;
I k і U k - струм і напруга його колектора.
При розрахунках електронних пристроїв система практично не використовується, однак при визначенні її параметрів відносно просто автоматизувати вимірювальний процес і поєднати визначення статистичних і динамічних параметрів на одній технологічній установці 15.
Розширюючи факторні простору в температурну область із системи (3.1) отримуємо системуI б = I б (I к, U к, T o); (3.2)
U б = U б (I к, U к, T o), (3.3)
де T o - Температура.
На практиці найбільш широко використовують ВАХ відповідні системам Н-параметрів (параметри ВАХ струм I б і напруга U к) або Y-параметрів (аргументи ВАХ напруги U б і U к), тобто системи
I к = I к (I б, U к); (3.4)
U б = U б (I б, U к), (3.5)
I к = I к (U б, U к); (3.6)
I б = I б (U б, U к). (3.7)
Якщо базова система (3.1) відповідає полімінальной моделі, то її факторні функції (ФФ) мають вигляд / 5,14 /
I б = k 1 + I б (I к) + I б (U к); (3.8)U б = k 2 + U б (I к) + U б (U к), (3.9)
де k 1 і k 2 - постійні факторних функцій (ПФФ), а індекси 1 і 2 вказують на відмінність цих коефіцієнтів в першому і другому рівняннях системи; I б (I к), I б (U к), U б (I до ), U б (U к) - аналітичні функції, що представляють собою елементарні факторні функції (ПРН).
I к = k 1 + I к (I б) + I к (U к); (3.10)
U б = k 2 + U б (I б) + U б (U к) (3.11)
I к = k 1 + I к (I б) + I к (U к); (3.12)
I б = k 2 + I б (U б) + U б (U к). (3.13)
Перетворення параметрів ФФ (3.8) - (3.9) в ФФ (3.10) - (3.11) або (3.13) - (3.14) було запропоновано проводити за табличним значенням Ефф системи (3.8) - (3.9).
Визначення Ефф I к (I б) і U к (U б) не представляє складності, так як вони представляють собою зворотні функції Ефф I б (I к) і U б (U к). Для визначення Ефф U б (I б) можна використовувати Ефф U б (I к) в яку потрібно підставити табличні значення Ефф I к (I б). Таким же способом за Ефф U б (U к) і I к (I б) знаходимо Ефф I к (U б (U к)) і на останньому етапі Ефф I б (U б) визначаємо через Ефф I б (I к) і I к (U б), тобто у вигляді I б (I к (U б)).
Аналітично Ефф визначені числовим методом трьом їх табличним значенням.
Кожна з Ефф відповідає одному з рівнянь, наведених у таблиці 3.1
Таблиця 3.1 - Структура Ефф
Код | Структура |
| 1 | f 1 = ax 2 + bx + c |
| 2 | f 2 = ln (f1) |
| 3 | f 3 = exp (f1) |
| 4 | f 4 = a / (x + b) + c |
| 5 | f 5 = a; b = c = 0 |
Система Системи Система
(10) - (11) (8) - (9) (12) - (13)
У результаті реалізації алгоритму, малюнок 1, перебувають Ефф перетворених ВАХ, щоб визначити ФФ цих ВАХ необхідно визначити відповідні ПФФ, які можна обчислити за табличним значенням ФФ. Вихідними даними для розрахунку є табличні значення Еф.
Розглянемо алгоритм формування табличних значень ФФ для плану 3 4-2. Нехай f ij - елементи Ефф, де i = 1,4 - індекс чинника, а j = 1,3 - індекс рівня фактора. Якщо прийняти, що при i = 1 фактор змінюється по рядках матриці планування (МП), i = 2 - по стовпцях, i = 3 - по діагоналі справа-наліво і i = 4 - по діагоналі зліва-направо, то позначивши символом y kl елементи МП, де k = 1,3 і l = 1,3 отримаємо умови для визначення системи рівнянь, достатніх для визначення елементів y kl з відомих елементів f ij.
З теорії планування експерименту відомо, що потроєння значення f kl дорівнюють сумі елементів y ij за фіксованим рівнем фактора i.
Тоді для полімінальной моделі вихідні системи рівнянь мають вигляд для першого чинника
3f 11 = y 11 + y 12 + y 13; 3f 21 = y 21 + y 22 + y 23; 3f 23 = y 31 + y 32 + y 33, (3.14)
для другого чинника
3f 21 = y 11 + y 21 + y 31; 3f 22 = y 12 + y 22 + y 32; 3f 23 = y 13 + y 23 + y 33, (3.15)
для третього фактора
3f 31 = y 11 + y 22 + y 33; 3f 32 = y 12 + y 23 + y 13; y 33 = y 13 + y 21 + y 32, (3.16)
і для четвертого фактора
3f 41 = y 31 + y 22 + y 13; y 42 = y 11 + y 23 + y 32; y 21 = y 12 + y 33. (3.17)
Алгоритм визначення перетвореної МП з табличних значень Ефф зводиться до обчислення цих y ij цієї МП за формулами, отриманими в результаті спільного рішення систем (3.14) - (3.17):
y 31 = f 41 + f 21 + f 32 - f 11 - f 12; (3.18)
y 32 = f 33 + f 42 + f 22 - f 11 - f 12; (3.19)
y 21 = f 33 + f 21 + f 24 - f 11 - f 13; (3.20)
y 13 = 3f 33 - y 21 - y 32; (3.21)
y 12 = 3f 22 - 3f 41 - y 32 + y 13 + y 31; (3.22)
y 23 = 3f 32 - y 12 - y 31; (3.23)
y 11 = 3f 11 - y 12 - y 13; (3.24)
y 22 = 3f 12 - y 21 - y 32; (3.25)
y 33 = 3f 13 - y 31 - y 32. (3.26)
При полімінальной моделі (ФФ є твір Ефф) також використовують формули (3.18) - (3.26), але для логаріфмірованних табличних значень ФФ.
Для атестації параметрів моделі Еберса-Молла необхідно визначити рівняння (2.18) для інверсного включення транзистора. Додаткові дані для визначення цієї моделі або її коригування можуть бути отримані при визначенні переходів база-еммітер і база-колектор відповідно до схем, малюнки 3.2 та 3.3.
U k |
I k |
R 0k |
VT |
R 0 б |
U б |
Рисунок 3.2 - Вимірювання ВАХ в нормальному режимі
|
|
|
|
|
|
Малюнок 3.3 - Вимірювання ВАХ в інверсному режимі.
Реєструються напруги U к, U б, які падають на зразкових резисторах R 0k, R 0б. Відповідно струми I к, I б розраховуються за формулами.
|
|
Струм I k служить для контролю режиму виміру, якщо електроживлення проводиться від джерела струму.
У процесі реалізації вимірювального процесу необхідно керуватися відомостями про структуру РЕ, наведених у п. 2.2-2.3.
3.1.2 Вимірювання динамічних параметрів
Розглянемо умови реалізації прийнятого машинно-орієнтованого способу вимірювання лінійних параметрів багатополюсників.
Відповідно до цього способу, сутність якого наведена в роботах / 9 /, для визначення Y-матриці багатополюсників необхідно виконати вимірювання матриці Uo напруг холостого ходу згідно зі схемою, малюнок 3.4а, на якій зображені: джерело синусоїдальної напруги Ei, багатополюсників еквівалентний паразитним параметрами вимірювальної ланцюга з матрицею провідності Yo. Джерело Ei підключений до i-му входу-полюсу через комплексний опір Zi, а інші полюси-входи навантажені на комплексні опору Zj (j = 1).
Індексами i і j є такі точки підключення вимірювального приладу, а саме пробник вимірювального каналу векторного вольтметра.
Згідно малюнку 3.4а за відсутності вимірюваного багатополюсників (ІМП) і почерговому підключенні послідовно до кожного резистору Zi джерела Ei вимірюють діагональні Uii і недіагональні Uoji компоненти матриці Uo. Потім при почерговому підключенні зразковою Yoi заходи послідовно до кожного джерела Ei з внутрішнім опором Zi (малюнок 3.5б) вимірюють напругу Uoi - елемент вектора калібрувальних напруг Uk. Операції вимірювань матриці Uo і вектора Uk опорних і калібрувальних напруг здійснюється n `+ n раз, де n-число активних входів багатополюсників по змінному струмі. На цьому процес калібрування вимірювальної схеми завершується. У результаті визначається інформація достатня для врахування впливу паразитних параметрів еквівалентного багатополюсників Yo.
Робочий цикл вимірювання проводиться згідно малюнку 3.5. У цьому випадку паралельно схемою малюнок 3.5а підключають вимірюваний багатополюсників з матрицею провідності Yo. У результаті вимірювальні ланцюги виявляються навантаженими еквівалентним багатополюсників з матрицею провідності Yo, яку можна розрахувати за формулою
Yo = Y + Yo. (3.29)
Потім проводиться вимірювання елементів Uji матриці U навантаженого режиму таким же способом, як і вимірювання елементів матриці Uo опорних напруг. Перемикання джерела Ei виробляється n раз і визначаються n `напруг.
Вимірювання параметрів багатополюсників
а - вимірювання елементів матриці Uo опорних напруг;
б - вимірювання елементів вектора Uk калібрувальних напруг;
в - вимірювання елементів матриці і навантаженого режиму
Малюнок 3.4 - Вимірювання параметрів багатополюсників
Елементи матриці Uo, U і вектора Uk використовуються для розрахунку матриць передачі Ко холостого ходу і К навантаженого режиму.
Елемент матриці Ко розраховують за формулою
а елемент матриці К - за формулою
де Yп - повна провідність вхідного ланцюга пробника вимірювального
каналу векторного вольтметра.
У роботі / 1 / показано, що Y-матриця вимірюваного багатополюсників може бути визначена в результаті рішення матричного рівняння
Y = 2 (K -1 - Ko -1), (3.32)
де -1 - знак звернення матриць К і Ко.
Для випадку двухполюсника
n = 1 (3.33)
маємо
i = 1; j = 0. (3.34)
Очевидно, що за умов (3.33), (3.34) маємо:
коефіцієнти матриць Ко і К з індексами j не мають сенсу;
- Всього атестуються один коефіцієнт за формулою (3.30) і один коефіцієнт за формулою (3.31);
- Індекс i не має сенсу, тому що n = 1, матричне рівняння (3.32) перетворюється на просте алгебраїчне;
- Для визначення повної провідності Y двухполюсника досить виконати згідно малюнку 3.5 вимір трьох напруг: Uo холостого ходу (малюнок 3.5а), Uk калібрування (малюнок 3.5б) і U навантаженого режиму (малюнок 3.5В).
З урахуванням (3.32) - (3.33) та зазначених зауважень з формул (3.30) - (3.31) приходимо до формул
а - вимірювання напруги Uo холостого ходу;
б - вимірювання напруги Uk калібрування при навантаженні схеми зразковою
мірою Yk;
в - вимірювання напруги U при навантаженні схеми вимірюваним
двополюсників Y
Малюнок 3.5 - Вимірювання двухполюсника
Підставляючи коефіцієнти Ко і К в рівняння (3.32) з урахуванням зауваження (3.33) отримуємо формулу для розрахунку аттестуемой провідності Y.
Таким чином, для визначення повної провідності (опору) двухполюсника досить виконати вимірювання трьох напружень відповідно до схем (малюнок 3.5). При цьому справедливі наступні умови:
- Вимірювальний процес легко автоматизувати, тому що при його
реалізації не потрібно проводити подстроєчниє операції;
- З трьох тестів два (при реєстрації напруг Uo і Uk) є калібрувальними і при масових вимірах на фіксованій частоті виробляються тільки один раз;
- При виконанні попередньої умови процес вимірювання зводиться до реєстрації однієї напруги U з подальшим розрахунком за формулою (3.37);
- При діапазонних вимірах операції з калібрування можна звести до визначення чотирьох дійсних функцій, які визначають модуль напруги Uo
Uo = Uo (); (3.38)
аргумент напруги Uo
= ; (3.39)
модуль напруги Uk
Uk = Uk (); (3.40)
і аргумент напруги Uk
До = До ; (3.41)
де - кутова частота.
При використанні стабільної вимірювальної апаратури операції по визначенню функцій (3.38) - (3.40) можна виконати один раз, так функції (3.36) - (3.37) визначаються в режимі холостого ходу або при перестановці навантаження та їх залежність від частоти не буде складною. У більшості випадків ці функції можна виразити через рівняння першого або другого порядку. Для їх ідентифікації необхідно виконати вимірювання у двох - трьох точках заданого частотного діапазону.
Процес визначення АЧХ і ФЧХ двухполюсника може бути зведений до вимірювання модуля і фази напруги U згідно зі схемою малюнок 3.5В; визначення за АЧХ і ФЧХ напруг Uo і Uk на вимірюваної частоті; визначення модуля й аргументу провідності Y на частоті вимірювання; виконання аналогічних вимірювань на всіх дискретних точках частотного діапазону, визначених планом експерименту; обчислення АЧХ і ФЧХ провідності Y двухполюсника; обробка АЧХ і ФЧХ для визначення цікавлять користувача параметрів, спостереження на екрані дисплея графіків і т.п.
При реалізації вимірювань згідно прийнятих методів варто враховувати специфіку вимірювальних ланцюгів, в якому ці виміри проводяться.
3.2 Структурна схема тестера
Структурна схема тестера наведена на малюнку 3.6.
Тестер містить пристрій інтерфейсу (УІ) і вимірювально-контрольний пристрій (іку). Блок УІ призначений для обміну інформацією з персональним комп'ютером (ПК) у процесі управління тестером, обробки сигналів безпосереднього управління іку, а також управління приладами, агрегатованим в стійку програмованих вимірювальних приладів (СПІП).
Об'єкт вимірювання (ОУ) підключається до виходу іку. Сигнали порушення ОУ і відгуки на них надходять і сприймаються приладами стійки СПІП через комутатори електричних сигналів розташованих в іку.
СПІП
ПК УІ іку ОІ
Малюнок 3.6 - Структурна схема тестера
3.3 Пристрій інтерфейсу
Блок УІ сконструйований на основі мікропроцесорного пристрою, через яке командами з порту COM1 ПК типу IBM PC управляє:
- Через перший ЦАП генератором струму в інтервалі від 1 до 100 мА при вимірі транзисторів;
- Через другий ЦАП джерелом опорної напруги, який служить для регулювання напруги транзистора;
- Через третій ЦАП пристроєм регулювання температури.
Управління ЦАП здійснюється через перший - третій регістри. Інші три регістра призначені для управління програмованим генератором синусоїдальних сигналів (ПГСС), комутації ланцюгів, контролю статичних режимів ОІ, комутації ланцюгів вимірювання та контролю динамічного режиму ОІ.
Реєстрація вимірюваних сигналів здійснюється АЦП, управління яким здійснюється програмно від ПК.
На іку з виходів УІ надходять сигнали постійного струму, які визначають режим ОІ та коди управління комутаторів контролю статичного і динамічного режимів ОІ.
Корисна інформація надходить з виходу іку у вигляді аналогового сигналу постійного струму, який перетвориться в цифровий сигнал АЦП і подається на ПК для подальшої обробки.
3.4 Вимірювально-контрольний пристрій (іку)
3.4.1 Електрична схема іку
Схема електрична з'єднань іку представлена на МК 3.097.002 Е4. Іку становить собою чотири модулі: вимірювальна головка (ІГ), модуль А1, плата управління і контролю статичним і динамічним режимами тестера (ПУіК), модуль А2, навантаження колекторна, модуль А3, навантаження базова, модуль А4.
Пристрій ІГ (МК 5.192.006 Е3) представляє собою утримувач ОІ, на якому встановлені: гніздо для підключення вимірювального каналу векторного вольтметра (ВВ); контакти для підключення власне ОІ; вилка роз'єму для підключення ІГ до ПУіК. При вимірі чотирьохполюсних РЕ ІГ містить реле для підключення ВВ до входу чи виходу ОІ.
Електрична схема ПУіК наведена на МК 5.064.001 Е3.
Плата управління та контролю статичним і динамічним режимами тестера (ПУіК) містить:
комутатор контролю динамічних і статичних контрольованих
сигналів (ККС) на реле К1-К8;
комутатор динамічних режимів (КДР) на реле К9-К12;
розетка роз'єму Х1 для підключення вимірювальної голівки (ІГ);
розетка роз'єму Х2 для підключення розв'язують ВЧ підсилювачів (РУ);
розетка роз'єму Х3 для підключення вимірювального підсилювача (ВП);
розетка роз'єму Х4 для підключення блоку стабілізації температури (БСТ);
розетка роз'єму Х5 для підключення блоку стабілізації режиму транзистора (БСР);
резистор R1 для контролю режиму бази;
резистор R2 для контролю режиму колектора;
резистори R3, R4 для узгодження ланцюга ВЧ сигналу;
резистори R5-R7, R8-R10 і R11-R13 для ослаблення сигналу;
конденсатори С1-С10 для блокування ВЧ сигналів у ланцюгах живлення транзистора по постійному струму;
конденсатори С11-С12 для розділення ланцюгів живлення по змінному і постійному струму;
контакти 1а-24а, 1б-24б, 1с-10с і 1д-10д для підключення плати до зовнішніх пристроїв.
Пристрій працює наступним чином:
ККС призначений для вимірювання модулів сигналів на аналогових виходах першого і другого векторних вольтметрів (ВВ);
вимірювання різниць фаз на аналогових виходах першого і другого ВР;
вимірювання контролю напруг U к, U б і струмів J к, J б визначальних робочу точку транзисторів при вимірах в активному режимі;
вимірювання напруг U б-к, U б-е і відповідних їм струмів J к, J б для атестації параметрів моделей Еберса-Молла;
вимірювання напруги U т для визначення температури навколишнього середовища.
Стан реле ККС наведені в таблиці 3.2. За допомогою КДР реалізуються динамічні тести. При цьому вимірюють комплексні напруги
Реле К9 служить для підключення до виходу атенюаторів. У нормальному положенні сигнал подається на базу транзистора, в робочому стані - на колектор.
У режимі холостого ходу вимірюють напруги
У процесі вимірювання транзистор підключають до ІГ і вимірюють напруги
Аттестіруемие напруги знімаються з базовою (
Таблиця стану реле К9-К12 представлена в таблиці 3.3, у шостій колонці якій показані стану реле R1А, розташованого в ІГ.
Сигнали управління реле та електроживлення по постійному і змінному струму надходять через джгути, підключені до контактів 1а-24а, 1б-24б, 1с-10с і 1д-10д.
Контакти (D0-D15) використовуються для управління реле.
Через контакти (М (Ф) ФК 2-12/1 (2)) підключаються аналогові виходи ВВ.
Контакти (РТ) використовуються для підключення терморезистора до схеми стабілізації температури.
Контакти (Вх.1Т 0 і Вх.2Т 0) використовуються для підключення датчика температури.
Контакти (Вих.1 і Вих.2) використовуються для живлення термоелемента схеми БРТ.
Контакти (+15 В. і-15В.) Використовуються для живлення по постійному струму.
Таблиця 3.3 - Таблиця стану реле
| Найменування | Реле | Примітка | ||||
| 9 | 10 | 11 | 12 | R1А | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| U 011 U 010 U 001 U 000 U 111 | 0 0 0 0 0 | 0 0 0 0 1 | 1 1 0 0 1 | 1 0 1 0 1 | 0 0 0 0 0 | |
| U 011 U 012 U 021 U 022 | 0 1 0 1 | 0 1 1 0 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 | 0 0 1 1 | |
| U 11 U 12 U 21 U 22 | 0 1 0 1 | 0 1 0 0 | 1 1 0 1 | 1 1 0 1 | 0 0 1 1 | |
У розробленому комплексі застосовані широко поширені і дешеві радіоелементи:
- В якості операційних підсилювачів обраний самий дешевий з прецизійних ОУ К140УД17А з малим температурним і тимчасовим дрейфами нуля, високим вхідним опором і коефіцієнтом ослаблення синфазного сигналу;
- Блокувальні конденсатори застосовані типу КМ і К50-35 як найбільш дешеві і допустимі;
- Резистори застосовані типу МЛТ з допуском 10%, С1 з допуском ± 5% і СП5 з допуском ± 5%;
- Транзистори типу КТ603 як найбільш дешеві й підходящі в даній ситуації.
3.4.3 Конструкція іку
Конструкторська опрацювання іку відображена в МК 3.097.002, МК 4.720.001, МК 4.720.002, МК 4.720.003, МК 5.064.001, МК 6.192.002, МК 6.192.003, МК 6.192.004, МК 6.192.005, МК 5.192.006, МК 5.030.001, МК 6.030.001 (дивися додаток Б). Застосування функціонально-блокового методу конструювання відкриває перспективу розвитку конструкції, що особливо вигідно на етапі моделювання, підвищує уніфікованість і ремонтопридатність пристрою.
ПУіК виконана у вигляді окремого настільного блоку. Основні пристрої підключаються до материнської плати, яка встановлена на касеті, що вставляється в основу корпусу.
На лицьовій панелі касети розташоване гніздо роз'єму для підключення ІГ, ВЧ роз'єм СР-50 для підключення виходу ПГСС, два роз'єми СР-50 для підключення опорного каналу. На задній панелі розташовані чотири роз'єми СР-50 для підключення аналогових виходів ВВ, роз'єм СР-50 для підключення терморезистора, гніздо роз'єму DB-25 для підключення керуючих сигналів реле і низьковольтного живлення пристрою, гніздо роз'єму для підключення датчика температури, і два гнізда роз'єму для підключення входу і виходу мережі живлення 220 В.
У конструктивному виконанні модулі НБ, НК, УР, УІ представляють собою односторонні друковані плати, що встановлюються на материнську плату через відповідні роз'єми.
При конструюванні модулів УР, НБ, НК були взяті до уваги принципи ВЧ монтажу.
3.5 Вимірювальні головки
При конструюванні ІГ були взяті до уваги принципи конструювання ВЧ пристроїв з тим, щоб гранично зменшити вплив паразитних параметрів з'єднувальних провідників.Особливу проблему представляла собою конструкція контактів для підключення вимірюваних пристроїв з-за великої різноманітності конструкцій висновків однотипних РЕ (транзисторів, діодів і т.д.) і типорозмірів корпусів для аналогових ІС.
Особливу увагу було приділено конструюванню ІГ для НВЧ РЕ.
4 Розрахункова частина
4.1 Розрахунок площі та габаритів материнської плати
Для розрахунку площі плати необхідно визначити площу, яку займають ЕРЕ розташовані на ній і коефіцієнт заповнення плати за площею.
Коефіцієнт заповнення плати за площею (До зп) приймемо рівним 0.3, тоді площа плати можна визначити за формулою
де S i - площа кожного ЕРЕ.
Вихідні дані для розрахунку площі плати приведені в табл.4.1.
Таблиця 4.1 - Вихідні дані для розрахунку площі плати ПК-2.
| Тип ЕРЕ | Кількість, шт. | Розміри, мм | Площа, мм 2 |
| Конденсатори | 12 | 2'12 | 288 |
| Роз'єми | 1 | 10'80 | 800 |
| 4 | 10'146 | 5840 | |
| Резистори | 13 | 4'10 | 520 |
| Реле | 16 | 6'12 | 1152 |
| Всього | 8600 |
S пл = 8600 / 0.3 = 28666.7 мм 2
Так як материнська плата кріпиться на касеті, то оптимальними її розмірами будуть 210'140 мм.
З урахуванням того, що на платі залишається місце під резерв, розмір материнської плати візьмемо рівним 303'140 мм.
4.2 Розрахунок теплового режиму блоку
Розрахунок теплового режиму блоку проведемо на ЕОМ за методикою наведеною в / 19 /, текст програми приведений в / 20 /.
Вихідними даними для розрахунку є:
- Потужність споживана блоком, Вт;
- Розміри блоку (L1, L2, L3), м;
- Коефіцієнт заповнення блоку за обсягом;
- Площа перфораційного отвори (м 2) та їх кількість (шт.);
- Тиск навколишнього середовища, МПа;
- Температура навколишнього середовища 0 С.
Розрахуємо коефіцієнт заповнення блоку за обсягом за формулою
де V е - сумарний обсяг елементів встановлених у блоці, м 3;
V - об'єм блока, м 3.
Вихідні дані для розрахунку:
- Потужність споживана блоком Р = 3 Вт;
- Розміри блоку L1 = 0,045 м, L2 = 0,03 м, L3 = 0,008 м;
- Розрахуємо коефіцієнт заповнення блоку за обсягом за формулою (1)
- Тиск навколишнього середовища Р = 0,1 МПа;
- Температура навколишнього середовища Т = 20 0С;
- Площа перфораційного отвори S = 0,0068 м 2.
Результати розрахунку теплового режиму блоку:
- Температура корпуса блоку Т к = 20,19 0 С;
- Температура нагрітої зони Т з = 20,57 0 С;
- Середня температура повітря в блоці Т в = 20,32 0 С.
4.3 Розрахунок надійності блоку
Розрахунок надійності проведемо на ЕОМ за допомогою програми наведеної в / 20 /.
Вихідні дані для розрахунку наведені в таблиці 4.2.
Таблиця 4.2 - Вихідні дані для розрахунку надійності.
| № типу | Тип ЕРЕ | Кількість | Інтенсивність відмов * Е +6, 1 / год | Коефіцієнт навантаження |
| 1 | Конденсатори КМ1 | 10 | 0,075 | 0,5 |
| 2 | Конденсатори КМ-5б | 2 | 0,075 | 0,5 |
| 3 | Пайка | 300 | 0,05 | 0,5 |
| 4 | Плата | 1 | 0,7 | 0,6 |
| 5 | Провід | 10 | 0,015 | 0,5 |
| 6 | Резистори МЛТ | 13 | 0,03 | 0,5 |
| 7 | Реле | 16 | 0,5 | 0,2 |
1. Інтенсивність відмови блоку 9.840001E-06 1 / ч.
2. Час напрацювання на відмову 468000 ч.
3. Імовірність відмови блоку при часі роботи зазначеному в ТЗ (10000 год)
P = 0.9062863.
Значення залежності ймовірності безвідмовної роботи блоку від часу його роботи наведені в таблиці 4.3.
Таблиця 4.3 - Залежність ймовірності безвідмовної роботи блоку від часу його роботи
| T годину | P (T) | T годину | P (T) | T годину | P (T) |
| 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 | 1 .9950921 .9902083 .9853484 .9805124 .9757001 .9709114 .9661463 .9614046 .956686 .9519907 .9473184 .942669 .9380425 .9334387 .9288574 .9242987 .9197623 .9152482 .9107562 .9062863 | 10500 11000 11500 12000 12500 13000 13500 14000 14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 | .9018384 .8974122 .8930078 .888625 .8842636 .8799238 .8756052 .8713078 .8670315 .8627762 .8585417 .854328 .8501351 .8459627 .8418108 .8376793 .833568 .8294769 .8254059 .8213549 | 20500 21000 21500 22000 22500 23000 23500 24000 24500 25000 25500 26000 26500 27000 27500 28000 28500 29000 29500 | .8173237 .8133124 .8093207 .8053486 .8013961 .7974629 .793549 .7896543 .7857788 .7819222 .7780846 .7742658 .7704658 .7666844 .7629216 .7591772 .7554513 .7517436 .7480541 |
5. Технологічна частина
5.1 Якісний аналіз конструкції
Основними показниками технологічності вироби є його трудомісткість виготовлення, собівартість, програма випуску та тип виробництва.
Аналізуючи технічне завдання на дипломний проект, вважаємо, що тип виробництва материнської плати - одиничний. Таким чином, застосування автоматизованого обладнання є нерентабельним. Отже, більшість операцій з виготовлення материнської плати є ручними, із застосуванням верстатів і устаткування. Як матеріал для виготовлення материнської плати використовується склотекстоліт марки СТФ-1-35-1, 5 ТУ 15-503.16-83. Він має високу механічну міцність, високими електроізоляційними властивостями, низьким водопоглинанням. На материнській платі в оптимальній послідовності встановлюються ЕРЕ, роз'єми і деталі кріплення. Такий варіант формування є найбільш прийнятним, оскільки плата розбита на закінчені функціональні вузли. Це дозволяє легку заміну вийшов з ладу вузла. Прийняті типи ЕРЕ дозволяють вести підготовчі операції (обрізання, лудіння, формування) в автоматизованому режимі, що дозволяє знизити трудомісткість складання друкованої плати.
Монтаж плати односторонній, тому виробляти заміну елементів друкованої плати можна, не знімаючи її. А також під час складання виробляти пайку прогресивним методом - хвилею припою. Кріплення плати на полозках забезпечує легку її заміну у разі виходу з ладу.
При складанні вироби використовуються освоєні у виробництві деталі, такі як контакти, пелюстки, прокладки і т.д.
Точність технологічних процесів є однією з головних кількісних характеристик, але вона не достатня для того, щоб повною мірою здійснити якість того чи іншого процесу. Для таких оцінок вводять кількісні характеристики і спільний облік точносних характеристик і характеристик стійкості, що дозволяють зробити обгрунтований висновок про технологічний процес. Щоб плата була технологічною передбачено: приготування деталей з уніфікованих і стандартних елементів і використання деталей, запозичених з освоєних раніше виробів, скорочення числа оригінальних і складних деталей, розміри і поверхні яких вимагають точності і шорсткості, економічно необгрунтованих, а також використання недефіцитних і не дорогих матеріалів , що є технологічними.
Виходячи з вище сказаного, конструкцію материнської плати можна вважати технологічною.
5.2 Проектування технологічного процесу складання друкованої плати
Забезпечення високої точності і надійності, серійно випускаються виробів досягається застосуванням комплексу заходів, важливою складовою частиною якого є технологія збірки. Тому якісне проведення складальних операцій є однією з умов підвищення якості складання виробу, довговічності збираються вузлів і виробів.
У загальному вигляді складальний процес є поєднання в певній послідовності окремих деталей і електрорадіоелементів у складальні вузли для отримання закінченого вироби. Розрізняють загальну і вузлову збірку. Загальною складанням називається частина технологічного процесу, протягом якої відбувається фіксація складових складальних одиниць. Вузлова збірка - частина технологічного процесу, яка має на меті освіти складальних одиниць, що входять в даний виріб, відповідно до що висуваються до них вимогами.
При проектуванні технологічного процесу складання друкованої плати аналізують технологічність конструкції. Загальні технічні вимоги зводяться до допустимості паралельної і незалежної вузлової зборки, взаємозамінності деталей, забезпечення вільного допуску до монтажу.
Основою проектування складального процесу є типові технологічні процеси складання вузлів, грунтуючись на які ми складаємо схему робочого технологічного процесу складання друкованої плати.
Малюнок 5.1 - Схема робочого технологічного процесу складання друкованої плати
Основними частинами схеми є операції комплектування, підготовки ЕРЕ, підготовки друкованої плати, складання, контролю, лакування.
Відповідно до наведеної схеми складемо маршрутні і операційні карти (дивися додаток Г).
Збірка друкованої плати не повинна здійснюватися із застосуванням складного обладнання, складальні операції повинні бути максимально механізовані. З цією метою проведемо вибір засобів технологічного оснащення. Для підготовки ЕРЕ до збірки використовуємо наступне широко застосовується устаткування.
Для резисторів і конденсаторів використовують автомат типу К12-010.00.00.000.
Лудіння всіх інших елементів будемо виробляти зануренням у ванну ГГ-0867-4003. Пайка ЕРЕ виробляємо в автоматизованому режимі на установці АУБ 28.00.
Використовуємо також універсальні інструменти і пристосування згідно технологічного процесу.
5.3 Визначення кількісних показників технологічності конструкції розробляється материнської плати
Показники технологічності конструкції виробу визначають за загальносоюзним і галузевим методиками. У дипломному проекті показники технологічності визначаємо відповідно до ОСТ 4.091.114-78 і ОСТ 4.091.105-79.
Вихідні дані всіх показників наведені в таблиці 5.1.
Трудомісткість виготовлення виробу
Ті = å Тi (5.1)
де Ti - трудомісткість виготовлення складання, регулювання контролю і випробування i-ої складової частини виробу, нормо / ч.
Ті = 43,4 +5,16 +13,8 +83,04 +20,08 +43,4 = 208,8 нормо / год
Таблиця 5.1 - Вихідні дані показників
Таблиця 5.2 - Коефіцієнти вагомості по класу показника вироби (електронного)
Технологічна собівартість
(5.2)
З Т = 30,2 +64,4 +18,4 +32,48 = 280,76 руб.
Додаткові техніко-економічні показники технологічності.
Відносна трудомісткість обробки різанням визначається за формулою:
(5.3)
Відносна трудомісткість складально-монтажних робіт визначається за формулою:
(5.4)
Відносна трудомісткість регулювальних і контрольно-випробувальних робіт визначається за формулою:
(5.5)
Відносна трудомісткість виготовлення друкованих плат визначається за формулою:
(5.6)
Відносна собівартість покупних комплектуючих виробів визначається за формулою:
(5.7)
Відносна технологічна собівартість виробів визначається за формулою:
(5.8)
(5.9)
(5.10)
(5.11)
(5.12)
(5.13)
(5.14)
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби
T oi - показники трудомісткості розраховані вище
1.1.1.8
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби
З oi - показники собівартості розраховані вище
(5.16)
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби
До iтте - показники технічності розраховані вище
Рівень технологічності по трудомісткості виготовлення визначається за формулою:
(5.17)
Рівень технологічності з комплексного відносного техніко-економічному
показником трудомісткості визначається за формулою:
(5.18)
Рівень технологічності за технологічною собівартості визначається за формулою:
(5.19)
Рівень технологічності з комплексного відносного техніко-економічним показником собівартості визначається за формулою:
(5.20)
Рівень технологічності з комплексного відносного технічному показнику визначається за формулою:
1.1.1.10
Значення рівнів технологічності розроблювальної конструкції повинні перебувати в межах 0 <К УТ <1; 0 <К УС <= 1; 0 <К Уот <= 1; 0 <К УТОС <= 1; До УОТЕХ> = 1. У нашому випадку все значення рівнів технологічності розроблювальної конструкції задовольняють вимогам даних умов.
Основою проектування складального процесу є типові технологічні процеси складання вузлів, грунтуючись на які ми складаємо схему робочого технологічного процесу складання друкованої плати.
Комплектування- вання |
Формування та лудіння на автоматах |
Установка ЕРЕ |
Пайка хвилею |
Контроль монтажу |
Монтаж навісних ЕРЕ |
Формування та лудіння вручну |
Лакованими ня |
Сушіння |
Малюнок 5.1 - Схема робочого технологічного процесу складання друкованої плати
Основними частинами схеми є операції комплектування, підготовки ЕРЕ, підготовки друкованої плати, складання, контролю, лакування.
Відповідно до наведеної схеми складемо маршрутні і операційні карти (дивися додаток Г).
Збірка друкованої плати не повинна здійснюватися із застосуванням складного обладнання, складальні операції повинні бути максимально механізовані. З цією метою проведемо вибір засобів технологічного оснащення. Для підготовки ЕРЕ до збірки використовуємо наступне широко застосовується устаткування.
Для резисторів і конденсаторів використовують автомат типу К12-010.00.00.000.
Лудіння всіх інших елементів будемо виробляти зануренням у ванну ГГ-0867-4003. Пайка ЕРЕ виробляємо в автоматизованому режимі на установці АУБ 28.00.
Використовуємо також універсальні інструменти і пристосування згідно технологічного процесу.
5.3 Визначення кількісних показників технологічності конструкції розробляється материнської плати
Показники технологічності конструкції виробу визначають за загальносоюзним і галузевим методиками. У дипломному проекті показники технологічності визначаємо відповідно до ОСТ 4.091.114-78 і ОСТ 4.091.105-79.
Вихідні дані всіх показників наведені в таблиці 5.1.
Трудомісткість виготовлення виробу
Ті = å Тi (5.1)
де Ti - трудомісткість виготовлення складання, регулювання контролю і випробування i-ої складової частини виробу, нормо / ч.
Ті = 43,4 +5,16 +13,8 +83,04 +20,08 +43,4 = 208,8 нормо / год
Таблиця 5.1 - Вихідні дані показників
| Найменування показника | Умовне позначення | Значення показу-теля | ||
| Основні і додаткові техніко-економічні показники трудомісткості | ||||
| Виготовлення вироби | Т і нормо / год | 109,55 | ||
| Ливарних робіт | Т Л нормо / год | 0 | ||
| Робіт з обробки металів тиску | Т Д нормо / год | 0 | ||
| Робіт з формоутворенню деталей з полімерних матеріалів | Т П нормо / год | 0 | ||
| Заготівельних робіт виконуваних обробкою різанням | Т О нормо / год | 0 | ||
| - Обробки різанням | Т О Р нормо / год | 10,8 | ||
| - Збірно-монтажних робіт | Т З нормо / год | 25,9 | ||
| Регулювальних і контрольно-випробувальних робіт | Т Р До нормо / год | 29,7 | ||
| - Робіт з виготовлення друкованих плат | Т П П нормо / год | 9,5 | ||
| Найменування показника | Умовне позначення | Значення показу-теля | ||
| Основні і додаткові техніко-економічні показники собівартості | ||||
| Витрати на сировину і матеріали (за вирахуванням вартості відходів) | З М руб. | 480,6 | ||
| Основна зарплата виробничих робітників з нарахуваннями | З руб. | 183,09 | ||
| Витрати на зношування інструментів | С І Н руб. | 18,4 | ||
| Витрати на утримання устаткування | З Про руб. | 32,48 | ||
| Вартість покупних виробів | З П К руб. | 480,6 | ||
| Повна собівартість виробів | С І руб. | 1144,29 | ||
| Додаткові технічні показники | ||||
| Кількість типорозмірів запозичених деталей | Д Т З шт. | 13 | ||
| Загальна кількість типорозмірів деталей у виробі | Д Т шт. | 6 | ||
| Загальна кількість деталей у виробі | Д шт. | 87 | ||
| Кількість монтажних з'єднань виконаних на друкованих платах, які можуть осущ. хутро. спосіб. | Н М М шт. | 192 | ||
| Загальна кількість монтажних з'єднань | Н М шт. | 246 | ||
| Загальна кількість ЕРЕ, у виробі які повинні готуватися до монтажу відповідно до вимог конструкторської документації | Н П ЕРЕ шт. | 20 | ||
| Показники технічності вироби - аналога | ||||
| Трудомісткість виготовлення | Т Н О шт. | 3127 | ||
| Технологічна собівартість | З Т шт. | 280,76 | ||
Таблиця 5.2 - Коефіцієнти вагомості по класу показника вироби (електронного)
| Т ОС = 1 | З ОПК = 1 | До ОСВ = 0,76 | До ПОВ ПП = 0,2 |
| Т ООР = 0,5 | З ВІД = 0,8 | До ТП = 0,68 | До СБ = 0,4 |
| Т ОРК = 0,3 | До МС = 0,92 | До ПОВ Д = 0,52 | |
| Т ОЗР = 0,2 | До АРК = 1 | До Ф = 0,44 | |
| Т ОПП = 0,1 | К ПП = 0,6 | До МП ЕРЕ = 0,2 |
З Т = 30,2 +64,4 +18,4 +32,48 = 280,76 руб.
Додаткові техніко-економічні показники технологічності.
Відносна трудомісткість обробки різанням визначається за формулою:
Відносна трудомісткість складально-монтажних робіт визначається за формулою:
Відносна трудомісткість регулювальних і контрольно-випробувальних робіт визначається за формулою:
Відносна трудомісткість виготовлення друкованих плат визначається за формулою:
Відносна собівартість покупних комплектуючих виробів визначається за формулою:
Відносна технологічна собівартість виробів визначається за формулою:
1.1.1.1 Коефіцієнт освоєності деталей визначається за формулою:
1.1.1.2 Коефіцієнт повторюваності деталей визначається за формулою:
1.1.1.3 Коефіцієнт механізації монтажу визначається за формулою:
1.1.1.4 Коефіцієнт застосування типових технологічних процесів визначається за формулою:
1.1.1.5 Коефіцієнт механізації підготовки ЕРЕ до монтажу визначається за формулою:
1.1.1.6 Комплексний відносний техніко-економічний показник трудомісткості визначається за формулою:
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби
T oi - показники трудомісткості розраховані вище
1.1.1.7 Комплексний відносний техніко-економічний показник собівартості визначається за формулою:
1.1.1.8 
(5.15)
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби З oi - показники собівартості розраховані вище
1.1.1.9 Комплексний відносний показник технічності визначається за формулою:
де К iе - коефіцієнти вагомості по класу показника вироби
До iтте - показники технічності розраховані вище
Рівень технологічності по трудомісткості виготовлення визначається за формулою:
Рівень технологічності з комплексного відносного техніко-економічному
показником трудомісткості визначається за формулою:
Рівень технологічності за технологічною собівартості визначається за формулою:
Рівень технологічності з комплексного відносного техніко-економічним показником собівартості визначається за формулою:
Рівень технологічності з комплексного відносного технічному показнику визначається за формулою: