Факторы, влияющие на работоспособность ВТ

КОНСТРУИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙТЕХНИКИ

В первой части учебника изложены вопросы разработки средств измерительной и вычислительной техники (ВТ), создания конструкции, особенности конструирования с учетом конструктивной преемственности, технологичности, экономичности, надежности. Защита конструкции от внешних воздействий рассмотрена от механических, атмосферных, температурных влияний, временной нестабильности, электрических помех. Применение методов автоматизации в задачах конструирования позволяет эффективно выполнять компоновку и трассировку электронных устройств.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основные понятия и определения

Конструирование является составной частью процесса разработки ВТ и представляет собой комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание технологии. Каждое поколение ВТ имело новый тип элементной базы, что изменяло правила и положения теории и практики конструирования. Но характерным всегда являлось и является разбиение конструкции и общей схемы ВТ на отдельные, часто повторяющиеся устройства, оформляемые в виде элементов (блоков).

Рост степени интеграции микросхем увеличивает число типов таких элементов (блоков) и снижает их тиражирование в пределах одного ВТ. Секционированные и с фиксированной разрядностью микропроцессоры, однокристальные микроЭВМ расширили область применения ЭВМ. Отдельные элементы (блоки) ЭВМ схемотехнически различны и, как правило, не повторяются. Диапазон использования ВТ очень широк: они используются для управления объектами как бытовыми, так и космического назначения, поэтому конструирование ВТ на основе интегральных схем становится все более сложным процессом и разнообразным.

Перед разработчиками ВТ стоит ряд задач, решение которых зависит от полного учета факторов, влияющих на процесс измерения, обработки и хранения информации. Эти факторы имеют различную физическую природу. При создании ВТ требуется решение задач противодействия климатическим, механическим и радиационным факторам с целью обеспечения теплового режима работы отдельных элементов и устройства в целом, помехоустойчивости и нормальных электрических режимов работы, механической прочности, надежной и безопасной работы ВТ, нормальной работы оператора и охраны окружающей среды.

Разработка — это процесс всестороннего исследования (подготовки), предназначенный для получения заданных результатов. Обычно разрабатывают научно-исследовательские темы, конструкции, технологическую документацию, нормали, стандарты, системы, планы, графики и т. п.

В конструкциях ВТ заданные для них основные целевые функции обеспечиваются не только пространственными и силовыми, но и электрическими, магнитными и электромагнитными полями между отдельными элементами. Поэтому в связи с появлением микроминиатюрных конструкций и использованием интегральных схем деление разработки на механический и электрический этапы стало нецелесообразным.

Проектирование есть разработка основных показателей (конечного продукта) и путей их практического осуществления. Результатом проектирования является совокупность данных, которая может лечь в основу разработки рабочих технических документов, необходимых для выполнения конечного продукта (системы, устройства, прибора и т. п.).

Конструирование — это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей и связей с окружающей средой и объектами физических тел, их материалов и обработки, установление значений величин (норм), пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям. Конечным результатом является комплект технических документов, который отображает всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие. Назначение, область применения и условия эксплуатации ВТ налагают определенные требования на его конструкцию и должны учитываться в процессе конструирования.

Конструкция ВТ (системы) — совокупность электрически и механически связанных элементов и деталей, в которой реализуется электрическая схема ВТ (системы). Исходные данные для конструктора — принципиальная схема ВТ и техническое задание на разработку конструкции. Конструктор должен определить форму, материалы, размеры конструктивных деталей и сборочных единиц, способы механического и электрического соединения; обеспечить помехоустойчивость, тепловой режим, защиту от внешних воздействий.

Объектом называют любое физическое тело или их совокупность в виде устройства, изделия или их частей (самолет, корабль, ракетами т. д.).

Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Устройство — любая совокупность взаимодействующих физических тел, рассчитанная на выполнение заданных функций.

Аппарат представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, предназначенное для преобразования по заранее предписанному закону энергии одного вида в энергию другого вида или в энергию того же вида, изменяющуюся по заданному закону.

Прибор представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, выполняющее фиксацию, измерение или регистрацию заданных величин (измерительные приборы, осциллографические индикаторы, записывающие приборы и т. п.).

Деталь — изделие, изготовленное из одного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций.

Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями.

Типовые нормализованные сборочные единицы (универсальные по применению) обычно называют типовыми изделиями. Например, резисторы, диоды, транзисторы, реле и т. д. Типовые изделия общего применения или любое другое изделие, используемое для сложной сборочной единицы, блока, прибора, устройства называют полуфабрикатом. Например, типовые резисторы, конденсаторы, реле и т. п. на предприятиях, где они используются, называют полуфабрикатами.

Блок является эксплуатационно-неавтономной частью изделия и предназначается, как правило, для выполнения одной или нескольких целевых функций. Разделение изделия на блоки необходимо для упрощения его конструирования, процесса изготовления и эксплуатации.

Сложный блок может состоять из нескольких более простых блоков, которые целесообразно называть подблоками или субблоками. Крупные блоки называют по роду выполняемых ими частных функций: блок цифро-аналогового преобразования, измерительный блок, блок источника опорного напряжения и т. п.

Модулями называют конструктивные части (приборы, блоки, сборочные единицы или детали) с такими формами и геометрическими размерами, пользуясь которыми при наименьшем их разнообразии, можно получить максимальное количество форм и размеров различных устройств. Использование модулей позволяет получать изделие с лучшей ремонтопригодностью и технологичностью. Простое разделение на модули, без учета особенностей конкретных условий, не дает никакого технико-экономического эффекта, а в ряде случаев может его ухудшить по сравнению с другими техническими решениями.

Комплекс — два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (например, датчики, преобразователи, измерительная аппаратура, средства управления), но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Информационно-измерительная система, представляющая собой совокупность взаимодействующих устройств, предназначена для восприятия величин, характеризующих параметры объекта измерения (например, термопара воспринимает температуру объекта и выдает электрический сигнал, который можно измерить), для выполнения измерительных операций, обработки результатов измерения и для хранения (в случае необходимости) и выдачи информации потребителю в требуемом виде.

Комплект — два или более изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запчастей, комплект инструмента, комплект измерительной аппаратуры).

Технология — это процесс изготовления изделия заданного качества в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости.

Факторы, влияющие на работоспособность ВТ

Условия эксплуатации ВТ имеют различную физико-химическую природу и изменяются в широких пределах. Факторы условно разделяют на климатические, механические и радиационные. Климатические факторы обусловлены изменением температуры и влажности окружающей среды, тепловым ударом, увеличением или уменьшением атмосферного давления, наличием движущихся потоков пыли (песка), присутствием активных веществ в окружающей атмосфере, наличием солнечного облучения (грибковых образований, микроорганизмов, насекомых, грызунов), взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы, дождя или брызг.

Механические факторы — это воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие невесомости.

Радиационные факторы представляют собой космическую радиацию, ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей, облучение потоком гамма-фотонов, быстрыми нейтронами, бета-частицами, альфа-частицами, протонами.

Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от условий использования и назначения объекта установки ВТ. Поэтому ВТ разделяют на стационарные и транспортируемые.

Стационарные ЭВМ эксплуатируют в помещениях (подвалах, бункерах, цехах), на открытом воздухе. Это могут быть многомашинные вычислительные комплексы, большие универсальные, управляющие, настольные и встраиваемые ЭВМ и микрокалькуляторы. Условия эксплуатации: от -50 до +50 °С, влажность до 90%, вибрация до 120 Гц при 4—6g,одиночных ударов — до 75g,воздействие дождя интенсивностью до 3 мм/мин и соляного тумана с дисперсностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м³.

Транспортируемые ЭВМ устанавливают и эксплуатируют на автомобилях, железнодорожном и гусеничном транспорте. Специфика работы этого вида ЭВМ предопределяет повышенное воздействие механических факторов (вибрации и ударов). Каждый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики.

Для предупреждения повреждения ВТ необходимо, чтобы она вся и ее отдельные части имели собственные резонансные частоты, лежащие вне диапазона частот вибрации транспортного средства, на котором ВТ эксплуатируется и перевозится. На автомобильных ВТ воздействует вибрация до 200 Гц и удары, вызванные дорогой. При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как следствие изменения скорости движения (до 40g). Биение колес о стыки рельсов вызывает вибрацию с частотой до 400 Гц при ускорении до 2g.На гусеничном транспорте во время движения частота вибрации доходит до 7000 Гц. Удары, вызванные неровностью дороги, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда, могут иметь большую силу и сопровождаться вибрацией. Также воздействует акустический шум (удар) до 150 дБ. Если ВТ находится на орудийной площадке, то наибольшую опасность для нее представляет ударная волна.

Морские ЭВМ устанавливают на больших и малых судах, тихих и быстроходных, на подводных лодках и на орудийных площадках береговой артиллерии. Характерные условия работы — это наличие вибрации, ударных нагрузок и морской среды. Вибрация на судне возникает от работы винтов, двигателей, гребного вала, биения волн о борт корабля, качки (до 25 Гц). Амплитуда вибрации на кораблях зависит от места установки ВТ на борту. Морская среда содержит большое количество различных активных веществ, постоянно действующих на ее работоспособность, поэтому ВТ должна обладать высокой коррозионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брыз-гозащищенностью.

Бортовую ВТ устанавливают на борту самолетов, ракет, искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических аппаратов. Бортовые ВТ могут быть управляющими и устанавливаемыми в беспилотные объекты, которые заменяют оператора, и связаны со всем комплексом технических средств объекта через систему датчиков и исполнительных механизмов. Получая информацию от датчиков, ВТ обрабатывает ее и выдает команды исполнительным механизмам. Аппаратура, устанавливаемая в самолетах, подвергается шуму и вибрации в 130—150 дБ с частотой 50—10000 Гц (ЭВМ в роли автомата). ВТ на борту ИСЗ входит в систему управления движением, которая решает задачи ориентации и стабилизации объекта в пространстве и наведения (навигации) его при перемещении в космическом пространстве, выхода на околопланетные орбиты, маневрирования с целью сближения с другими объектами и при посадке на поверхность планет. Бортовая ВТ на ИСЗ в процессе свободного полета (при неработающем двигателе) не подвергается воздействию механических нагрузок. Но при выходе на орбиту или при работе двигателей ВТ подвергается воздействию вибрации, ударов и ускорений. Частота вибрации может быть от 100 до 3000 Гц при 20g.Шум в момент запуска ракеты достигает 150 дБ.

Портативные ЭВМ, транспортировку которых осуществляет человек, эксплуатируют в условиях среды обитания человека.