Министерство образования Российской Федерации

Московский институт электроники и математики

(технический университет)

Кафедра “Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы”

Лекции по дисциплине:

«Информационные технологии в проектировании электронных средств»

Выполнил студент гр. РС-81:

Носов П. Д.

________________(Дата) ____________(Подпись)

Проверил:

Проф. Кофанов Ю. Н.

__________________(Дата)

______________(Подпись)

Москва 2012 г.

Информационные технологии в проектировании ЭС

Кафедра РТУиС (Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы).

Разработчик – академик РАН, РАЕН, МАИ, д.т.н. Кофанов Юрий Николаевич.

+7 (495) 680 40 58 – домашний

+7 (495) 916 88 80 – лаборатория (415 аудитория)

+7 (926) 344 30 40 – мобильный

y.kofanov@gmail.com

YuryKofanov@yandex.ru

www.kofanov.miem.edu.ru

www.asonika.ru

АДМИНИСТРАТОР 7441014

Манохин Александр Иванович. Лаборатория с 12:00 до 18:00.

ТОКТиНРЭС (Теоретические основы конструирования и технологии и надежности радиоэлектронных средств).

Образец списка литературы:

«

Список литературы

1. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования и технологии и надежности радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1991. – 360 с.

2. …

3. …

»

Нужно изучить описание подсистемы и руководство пользователя, выбрать устройство.

Самостоятельная работа:

1. Наизусть выучить перечень входных величин.

2. Наизусть выучить перечень выходных величин.

АСОНИКА-Б, АСОНИКА-К-СЧ

По данной лекции законспектировать главу 2 учебника «Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования и технологии и надежности радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1991. – 360 с.». Выбрать материал, имеющий отношение к аналитическим и топологическим моделям (структурные и морфологические модели не рассматривать!!!). Законспектировать материал «построение электрических моделей (на примере влияния проводников на печатные платы), тепловых моделей (на примере управляющего устройства на варикондах), механических моделях (на примерах: амортизированный блок, моделирование печатного узла).

Лекция №1. Введение.

АСОНИКА– автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры.

Информационные технологии- технология связанная с созданием, применением, отображением, использованием этой информации.

Уровни разукрупнения РЭС.

РЭ – радиоэлектронная.

РЭК – радиоэлектронные комплексы.

РЭУ – радиоэлектронные устройства.

РЭФУ – функциональные узлы.

ЭЭ – электротехнические элементы.

Жизненный цикл электронного средства.

Этапы:

Этапы и стадии жизненного цикла ТС:

ТТ – техническое требование;

НИР – научно-исследовательские работы;

ОКР – опытно-конструкторские работы;

Из – изготовление;

Эк – эксплуатация;

ТХ – технические характеристики;

ТЗ – техническое задание;

АП – аванпроект (техническое предложение);

ЭП – эскизное проектирование;

ТП – техническое проектирование;

РП – рабочее проектирование;

ТИП – техническая подготовка производства;

ГАП – гибкое автоматизированное производство;

Ис – испытание;

ТО – техническое обслуживание.

Системный подход к анализу физических процессов:

а) Взаимосвязь трех основных видов расчетов при разработке ЭС для подвижных объектов:

1 – передача мощностей тепловыделений в РЭ;

2 – передача температур РЭ;

3 – передача ускорений вибрация, ударов и других механических воздействия на радиоэлементы;

4 – передача масс РЭ (для элементной базы, выбранной по результатам электрического расчета);

5 – передача эффективных значений зазоров в местах крепления деталей (для расчета контактных тепловых мощностей демпфирования, возникающих при вибрации);

6 – передача температур конструктивных деталей.

б) Состав (подсистемы) сложного ЭС как системного объекта проектирования.

Должна быть задана или температура корпуса, или температура окружающего воздуха.

Лекция №2. Принципы многофакторной технологии комплексного моделирования радиоэлектронной аппаратуры.

Сравнение результата с ТЗ:

1. Функциональные характеристики назначения. Это электрические параметры и характеристики.

Сравнение должно быть проведено с запасами по тепловой и технологической нагрузке.

Наши подсистемы моделируют в детерминированной области, то есть задаются и получаются средние значение, т.е. математическое ожидание; допуски остаются для нас неизвестными. Поэтому надо или провести допусковый анализ (с помощью программы Statistics…).

Иерархия методических систем:

Три рода расчетных задач в процессе проектирования ЭС:

Задачи конструирования и технологии ЭС, решаемые на основе исследования параметрической чувствительности.

Построение физической модели.

Физическая модель– это упрощенное изображение или реализация в материале макета, который отображает все основные процессы и функции, протекающие в оригинале (который должен быть изготовлен окончательно), при этом точность соответствия параметров и переменных величин не превышает заранее оговоренную малую величину.

Параметрическая чувствительность– это степень влияния изменения внутренних параметров на выходные характеристики.

Функция чувствительности– частотная производная, логарифмическая характеристикаA(S).

Градиентные методы оптимизации (смотри главу 6 учебника «Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования и технологии и надежности радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1991. – 360 с»).

Аналитические расчетные модели физических процессов.

Под аналитической расчетной модельюпонимается математическая модель, представленная средствами математического анализа и алгебры в форме буквенных выражений определяющих зависимость выходных характеристик РЭС и его показателей от входных воздействий, внутренних параметров и независимых аргументов (времени, частоты, пространственных координат, переменной преобразования Лапласа и прочие).

Формы буквенных выражений могут быть разнообразны, одна мы выделяем типовые формы, которые охватывают большинство практических случаев.

Рассмотрим типовые, часто встречающиеся на практике формы аналитических расчетных моделей РЭС. Наиболее общая форма аналитической расчетной модели – нелинейная вектор-функция, которая может быть явной функциональной зависимостью: (2.1) или неявной функциональной зависимостью (2.2).

Значит, примером аналитической модели вида или может служить любая формула, связывающая выходные характеристики РЭС с его внутренними параметрами.

Неявная функциональная зависимость в качестве аналитической расчетной модели также часто используют при конструировании РЭС.

Модели и связаны, как правило, с макромоделированием, то есть с общим упрощенным представлением протекающих в РЭС процессов, прием нередко путем математической обработки экспериментальных данных. Такой подход дает хотя и менее точные результаты, чем более детальное моделирование на ЭВМ физических процессов в конструкциях, однако позволяет ускорить исследования, используя богатый предыдущий опыт разработки РЭС.

Если же удается более детально аналитически описать линейный режим исследуемого физического процесса в конструкции, форма аналитической расчетной модели часто может быть представлена в матричной записи: , где – параметрическая матрица РЭС или технологического процесса.

Форму (2.6) аналитической расчетной модели удобно применять в операторной и частотной областях исследования, а также при изучении процессов в статических (стационарных) режимах. Во временной области переходят к системе дифференциально-алгебраических уравнений первого порядка, составленных, например, по методу переменных состояний в виде: (2.7), причем первая производная во временидля некоторыхjбыть равно 0. Можно составить общее дифференциальное уравнениеN-го порядка относительно одной выделенной выходной характеристики: (2.8), где– собственный оператор рассматриваемого физического процесса;– возмущающий операторi-го воздействия при расчетеj-й характеристики, причем– порядок оператора;- символ дифференцирования;и– постоянные и переменные коэффициенты, зависящие от параметровq.

На основании примеров (которые приведены в книге «Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования и технологии и надежности радиоэлектронных средств» на страницах 56 – 57 и 58 – 62) можно сделать вывод, что основные выражения¹((2.1), (2.2), (2.6), (2.7), (2.8)) расчетных моделей применимы для исследования электрических, механических, тепловых и других физических процессов, протекающих в конструкциях РЭС и технологического оборудования.

Аналитические модели играю большую роль при сочетании автоматизированных и неавтоматизированных методов конструирования. Но в тоже время эти модели не отражают общей структуры построения конструкции. По этой причине чаще всего их применяют совместно с другими видами математических моделей.

Топологические расчетные модели физических процессов.

Под топологической расчетной модельюпонимается математическая модель, изображенная как эквивалентная электрическая, механическая или тепловая цепь или в общем виде как ненаправленный топологический граф, на котором заданы переменные величины и параметры рассматриваемых физических процессов и который полностью определяет физическую взаимосвязь этих переменных через параметры.

Понятие топологической расчетной модели связано с построением эквивалентной электрической, механической, тепловой или другой физической цепи, а в общем случае – унифицированного ненаправленного графа, на котором в условном виде задана математическая связь переменных величин моделируемого физического процесса. В дальнейшем будем считать основным унифицированным изображением топологических расчетных моделей, а эквивалентные цепи – частным изображением.

Название рассматриваемой расчетной модели связано с топологией – разделом математики, изучающим такие свойства геометрических фигур и объектов, которые инвариантны при непрерывном пространственном преобразовании.

Топологическое свойство моделируемых процессов в конструкции состоит в том, что для заданного конструкторского решения количество таких областей и определенных потоковых связей между ними остается неизменным при сохранении непрерывности в пространственных преобразованиях конструкции: смещении радиоэлементов и конструктивны элементов; изменении в определенных пределах их размеров, физических свойств.

Непрерывность пространственных преобразований нарушается (например, при введении новых конструктивных элементов или при принципиальных изменениях конструкции).

При построении топологической модели для заданного конструкторского решения РЭС необходимо правильно выделить области характерных потенциалов, играющих существенную роль в рассматриваемом физическом процессе, и пути потоков переноса соответствующей субстанции. При исследованиях параметрической чувствительности это соответствует этапу формальной интерпретации физических процессов РЭС и построению исходных физических моделей. Количественные взаимосвязи между потенциальными и потоковыми переменными величинами могут быть записаны через физические параметры радиоматериалов конструкций при математическом описании формальной схемы рассматриваемой физической модели.

Положения, которые характеризуют сущность топологических расчетных моделей, представляемых в унифицированной форме ненаправленных графов:

1. Топологическая модель состоит из узлов (изображаются точками) и ветвей (изображается непрерывными линиями).

2. Все узлы модели нумеруются от 0 до n. Каждому узлу ставится одна потенциальная переменная величина (потенциал), гдеi– номер узла. Потенциал одного из узлов, называемого базовым, принимается за нуль и является точкой отсчета для потенциалов других узлов.

3. Каждая ветвь модели получает номер: ijk, гдеi>j– номера узлов, которые соединяет данная ветвь;k= 1, 2, 3… - номер параллельной ветви между узламиiиj. Ветви присваивается потоковая переменная величина (поток)рассматриваемого физического процесса, причем этой ветви приписывается направления от узлаiк узлуj. Так что при рассмотрении противоположно направленной переменной будем иметь. Для определенности в алгоритмах расчета часто рассматривается величина, которая принимается как положительные, так и отрицательные значения.

4. Каждая ветвь модели содержит по крайней мере один компонент, который может быть активным, моделирующим воздействие, или пассивным, отражающим свойства пути, по которому протекает поток субстанции, возникающий под действием разности потенциалов.

5. Пассивный компонент ветви устанавливает определенное отношение между переменными ветви и инцидентных ей узлов. При наличии одного обобщенного пассивного компонента в ветви ijkее параметрсвязывает потокс разностью потенциаловее узлов соотношением.

Если фундаментальный компонент модели – диссипативный (рассеивающий энергию), то его реологический параметр представляет собой коэффициент пропорциональности в формуле, то есть параметр ветви равен параметру компонента:.

Если фундаментальный компонент модели – консервативный (накапливающий энергию), то его реологический параметр может быть потенциальным или потоковымв зависимости от вида энергии, накапливаемой в компоненте. В первом случае параметр ветви:, а во втором, гдеs– переменная Лапласа.

6. Потенциальный активный компонент, расположенный в ветви ijkбез других компонентов, устанавливает определенную разность потенциаловв узлах ветви, то есть, где- заданное значение разности потенциалов, независимое от потокаэтой ветви определенный поток ветви, где- заданное значение потока, независимое от разности потенциаловэтой ветви.

Если активный компонент моделирует входное воздействие на рассматриваемый физический процесс РЭС, то генерируемая им переменная величина илиявляется заданной.

Если же активный компонент ветви ijkмоделирует внутреннюю связь разности потенциаловили потокадругой ветви, то заданной величиной является его параметр, в качестве которого служит коэффициент пропорциональности, входящий в соответствующую зависимость:

;	;	(2.29)
;	;

7. Каждый узел устанавливает отношение между потоками ветвей, сходящихся в этом узле. По законам сохранения материи и движения любого i-го узла топологической модели сумма входящих потоков равна сумме выходящих:, где слева – суммирование по номерам узлов, от которых потоки ветвей направлены к узлуi, а справа – суммирование по номерам узлов, к которым потоки ветвей направлены от узлаi. Отсюда видно, что последовательное соединение ветвей, когда каждый узел (кроме первого и последнего) в соединении является общим только для соответствующей пары ветвей, можно заменить одной ветвью между первым и последним узлом с параметром, найденным из формулы, гдеI,j, …,m– последовательные номера узлов в соединении. Параллельное соединение ветвей между двумя узламиiиjможно заменить одной ветвью между этими же узлами с параметров, гдеt– номер параллельной ветви;v– общее число параллельных ветвей между узламиiиj.

Таким образом, при сложном соединении типовых соединений, параметр ветви в общем случае может оказаться сложным оператором вида:

где – коэффициенты полиномов числителя и знаменателя, являющиеся функциями реологических параметров.

Топологические расчетные модели могут быть построены для электрических, механических, тепловых и других физических процессов РЭС путем анализа конкретных процессов с выделением потенциальных и потоковых переменных, активных и пассивных компонентов и видов их соединений. При этом независимые активные компоненты моделируют входные воздействия x. Потенциальные и потоковые переменные являются выходными характеристикамиy, а параметры зависимых активных или пассивных компонентов могут быть как обобщеннымиh, так и первичнымиqпараметрами.

Для унифицированных топологических моделей разнородных физических процессов, представляемых в виде направленных графов, в таблице 2.2 приведены переменные величины и параметры, которые удобно использовать в качестве потенциальных и потоковых переменных величин и реологических параметров, отображающих фундаментальные свойства РЭ и конструктивных элементов, в которых протекают рассматриваемые электрические, механические или тепловые процессы.

Применение топологических тепловых моделей позволяет для сокращения трудоемкости проектных расчетов РЭС не задавать жесткую систему координат, а разделить конструкцию сетью линий тепловых потоков в соответствии с их реальным расположением в аппаратуре. При этом ветви унифицированной топологической модели как раз и соответствуют существующим в аппаратуре линиям тепловых потоков. Такой подход удобен как при теоретических исследованиях, так и при автоматизации проектирования РЭС.

Если обратиться в общем к электрическим, механическим, тепловым и другим физическим процессам в сложных конструкциях РЭС, то выделение всех возможных потоков соответствующей энергии не всегда целесообразно. В этих случаях вместо топологических лучше использовать морфологические модели, которые позволяют не раскрывать внутренние потоки энергии отдельных узлов аппаратуры.