Компьютерные технологии в приборостроении

1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации»
Институт инженерной физики и радиоэлектроники
Красноярск, 2008
900igr.net

2.

К. Н. Захарьин, Н. М. Егоров, А. В. Сарафанов
Компьютерные технологии
в приборостроении
Красноярск, 2008

3.

УДК
ББК
681.2:004.9
34.9
З-38
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении» подготовлен в рамках инновационной
образовательной программы «Информатизация и автоматизированные системы управления», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки;
Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин
З-38
Захарьин, К. Н.
Компьютерные технологии в приборостроении. Презентационные материалы. Версия 1.0 [Электронный ресурс] :
наглядное пособие / К. Н. Захарьин, Н. М. Егоров, А. В. Сарафанов. – Электрон. дан. (11 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. –
(Компьютерные технологии в приборостроении : УМКД № 49-2007 / рук. творч. коллектива А. В. Сарафанов). – 1 электрон. опт.
диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб
оперативной памяти ; 11 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows
2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше.
ISBN 978-5-7638-0866-7 (комплекса)
ISBN 978-5-7638-0870-4 (пособия)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802720 от 19.12.2008 г. (комплекса)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802709 от 22.12.2008 г. (пособия)
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Компьютерные технологии в
приборостроении», включающего учебную программу, учебное пособие «Компьютерные технологии в приборостроении. Основы математического и
методического обеспечения», учебное пособие «Основы применения CALS-технологий в электронном приборостроении», учебное пособие «Автоматизация
проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат», учебное пособие «Основы проектирования электронных средств: Техническое
задание. Формирование и анализ», лабораторный практикум, приложение к лабораторному практикуму (демоверсия системы OrCAD, файлы проектов для
системы OrCAD, варианты заданий к ряду лабораторных работ, интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Тракт усиления звуковой
частоты», интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Электроника», демоверсия программного комплекса ТРиАНА, справочник
«Интенсивности отказов ЭРЭ»), методические указания по курсовому проектированию, методические указания по самостоятельной работе, контрольноизмерительные материалы (банк тестовых заданий и перечень вопросов, выносимых на экзамен), приложение к комплексу (программа оптимизации
размещения элементов на монтажном пространстве методом попарных перестановок по критерию минимума суммарной длины сигнальных связей,
программа оптимизации разбиения схемы электрической на части, выполняемые на отдельных конструктивах, видеофрагмент «Резонансные явления в
электронной аппаратуре»).
Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Компьютерные технологии в приборостроении».
Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 200100.62 «Приборостроение» укрупненной группы 200000 «Приборостроение и
оптотехника».
© Сибирский федеральный университет, 2008
Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического
департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся
названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 01.09.2008
Объем 11 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

4. План презентации

1. Роль КТ в процессе создания ПС
2. Примеры результатов проектирования
с применением компьютерных технологий
3. Примеры приборов и систем
4. Системный подход к построению расчетных моделей
5. Расчетные модели
6. Основы математического обеспечения
топологического проектирования ПС
7. Концепция CALS-технологий
8. Основные параметры стандартных программных средств
Компьютерные технологии в приборостроении
4

5. Роль моделей в автоматизированном процессе разработки приборов и систем

Роль КТ в процессе создания ПС
Роль моделей в автоматизированном процессе
разработки приборов и систем
Техническое
задание
1
Алгоритмы
проектных
задач
6
Модели
чувствительности
7
Проект ПС
5
8
Информационная
модель
Физические
модели
2
3
4
Математические
модели
Условная схема взаимосвязи основных проектных процедур
Компьютерные технологии в приборостроении
5

6.

Роль КТ в процессе создания ПС
Информационные потоки
1. Требования технического задания к функциональным
характеристикам, конструкциям и т. п.
2. Информация для формализации
3. Параметры математической модели
4. Результаты математического моделирования
5. Исследуемые параметры
6. Выбранные параметры
7. Результаты проектных исследований
8. Параметры, определяющие различные
характеристики прибора
Компьютерные технологии в приборостроении
6

7.

Роль КТ в процессе создания ПС
Схема взаимосвязи математических моделей
Перечень ЭРЭ
и список цепей
Модели монтажных
пространств для решения задач компоновки,
размещения и
трассировки
А
Кол-во паек
и переходных
отверстий
Схема размещения
ЭРЭ на печатной
плате
Модель
механических
процессов
Модель
электрических
процессов
Топология схемы и перечень
ЭРЭ
Модель
надежности
А
Температуры ЭРЭ
Температуры ЭРЭ
Мощности
ЭРЭ
Модель
тепловых
процессов
ГТПФ
Геометрические и
физикомеханические параметры
Паразитные параметры
Электрическая
принципиальная
схема
Эскиз конструкции,
прибора
в виде 3D-модели
Компьютерные технологии в приборостроении
7

8. Синтез, анализ и оптимизация в задачах проектирования приборов и систем, решаемых на основе математического моделирования

Роль КТ в процессе создания ПС
Синтез, анализ и оптимизация в задачах проектирования приборов и систем,
решаемых на основе математического моделирования физических процессов
1
Выделение основных
воздействующих
на ПС факторов
2
Формирование критерия
чувствительности к
внешним воздействиям
3
Формирование критерия
оптимальности
4
Формирование условий
синтеза или критерия
оптимизации допусков
10
Техническое задание
на разработку
измерительной части,
схемы, конструкции,
и технологии ПС
11
Анализ и выбор лучшего
варианта структуры ПС,
конструкции, схемы
и технологии ПС
12
19
Синтез вариантов
структуры, конструкции,
схемы и ПС
20
Синтез расчетных
моделей и моделей
чувствительности
21
13
Формирование
ограничений
на допуски параметров
22
Анализ, синтез или
оптимизация допусков
на параметры
Формирование
ограничений на допуски
параметров
Параметрическая
оптимизация
Компьютерные технологии в приборостроении
8

9. Синтез, анализ и оптимизация в задачах проектирования приборов и систем, решаемых на основе математического моделирования

Роль КТ в процессе создания ПС
Синтез, анализ и оптимизация в задачах проектирования приборов и систем,
решаемых на основе математического моделирования физических процессов
5
14
23
Расчет и анализ
Подготовка данных
Выбор показателей
технологической
по технологическим
серийнопригодности
пригодности
разбросам параметров
6
15
24
Выбор показателей
Расчет и анализ
Подготовка данных
надежности ПС
эксплуатационной
по зависимостям
и стабильности его
стабильности
свойств материалов и
выходных характеристик
и надежности ПС
деталей от воздействий
7
16
25
Выбор способа
Анализ необходимости
Подготовка данных по
и синтез средств
и эффективности
физико-конструктивным
защиты ПС от
защиты ПС
параметрам
внешних воздействий
от внешних воздействий
средств защиты
8
17
26
Выделение
Синтез системы
Выделение
управляемых
регулировок, настроек
элементов и узлов ПС
параметров и доступных
и контроля
с малыми запасами
для контроля сигналов
работоспособности
работоспособности
27
18
9
Постановка задач
испытаний ПС
Синтез программы
испытаний ПС
Подготовка данных
по условиям
проведения испытаний
Компьютерные технологии в приборостроении
9

10.

Роль КТ в процессе создания ПС
Блок-схема алгоритма обобщенной методики проектирования ПС
с применением КТ
Начало
6
1
Анализ
ТЗ
Изменения
необходимы?
D
7
2
Разработка структурной
Разработка
конструкции
схемы прибора
в соответствии с его
реализуемыми
функциями
Моделирование
тепловых
процессов
C
3
Разработка
электрической
схемы
9
А
4
Моделирование
электрических
процессов
5
Исследование
разбросов
выходных
характеристик
B
8
Изменения
необходимы?
D
10
Моделирование
электрической
принципиальной
схемы с учетом
теплового режима
прибора
10
Компьютерные технологии в приборостроении
10

11.

Роль КТ в процессе создания ПС
Блок-схема алгоритма обобщенной методики проектирования ПС
с применением КТ
9
11
16
Трассировка
печатных плат
Изменения
необходимы?
1
D
12
Исследование
разбросов
выходных
характеристик
13
Изменения
необходимы?
1
D
14
Исследование
показателей
надежности
15
Изменения
необходимы?
1
D
17
Результаты
трассировки удовлетворительные?
18
Разработка
3D-моделей
отдельных узлов
и элементов,
проектирование
3D-сборки
прибора в целом
19
Разработка
комплекта электронной, конструкторской
и технологической
документации.
Подготовка и выпуск
ИЭТР
1
Конец
Компьютерные технологии в приборостроении
11

12.

Роль КТ в процессе создания ПС
Блок-схема алгоритма обобщенной методики проектирования ПС
с применением КТ
19
D
Анализ
результатов
моделирования
20
Принятие решения
21
Изменение
функциональной
схемы прибора
C
22
Изменение
электрической
принципиальной
схемы
23
A
Изменение
конструкции
B
Корректировка
ТЗ
C
24
Компьютерные технологии в приборостроении
12

13. Основополагающие методологические принципы CALS-технологий

Роль КТ в процессе создания ПС
Основополагающие методологические принципы CALS-технологий
Компьютерные технологии в приборостроении
13

14.

Роль КТ в процессе создания ПС
Пример технологии проектирования ПС на базе CALS-стратегии
Компьютерные технологии в приборостроении
14

15.

Роль КТ в процессе создания ПС
Структура электронного макета прибора
Электронный макет
включает:
• электронную документацию
для производства
и эксплуатации;
• алгоритмы обработки
и отображения данных
об объекте;
• результаты комплексного
исследования выходных
характеристик;
• модели физических
процессов в схемах и монтажном
пространстве;
• диагностические модели;
• инструменты конвертации
в стандарт STEP;
• комплект информационнологических методик
проектирования ПС
в стандартах IDEF/0;
• EDA-системы.
Алгоритмы
Модели
физических
процессов
Диагностические модели
Электронная конструкторская, технологическая
и эксплуатационная документация
Инструменты
конвертации
Комплект
методик
Результаты
проектирования
Результаты
моделирования
и оптимизации
Чертежи
и модели
EDA-системы
Компьютерные технологии в приборостроении
15

16.

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
Результаты исследования электрических характеристик
Компьютерные технологии в приборостроении
16

17. Результаты трассировки печатного монтажа

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
Результаты трассировки печатного монтажа
Компьютерные технологии в приборостроении
17

18.

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
Термограмма печатного узла
Компьютерные технологии в приборостроении
18

19. Механический режим работы печатного узла при вибрационных воздействиях

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
Механический режим работы печатного узла при вибрационных воздействиях
Изолинии
перемещений
Зависимость
виброускорения
от частоты воздействия
вибрации
Собственная форма печатной платы
Компьютерные технологии в приборостроении
19

20.

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
Результаты анализа безотказности
Компьютерные технологии в приборостроении
20

21.

Примеры результатов проектирования с применением компьютерных технологий
3D-модели узла и прибора в целом
3D-модель печатного узла
3D-модель прибора в целом
Компьютерные технологии в приборостроении
21

22.

Примеры приборов и систем
Информационная модель прибора, представленная в виде графа
Компьютерные технологии в приборостроении
22

23.

Примеры приборов и систем
Структура информационной модели
бортовой цифровой вычислительной машины
Компьютерные технологии в приборостроении
23

24.

Примеры приборов и систем
Аппаратно-программный комплекс «Электроника»
Компьютерные технологии в приборостроении
24

25.

Примеры приборов и систем
АПК «Электроника». Структурная схема
*
* Выполняет функции ввода-вывода измерительных, аналоговых и цифровых управляющих сигналов
Компьютерные технологии в приборостроении
25

26.

Примеры приборов и систем
АПК «Электроника».
Перечень реализуемых функций
Измерение/исследование (в ручном и автоматическом режимах по сетям Internet/Intranet)
прямой и обратной ветвей вольт-амперных характеристик (ВАХ) диода
и стабилитрона; нагрузочной характеристики и характеристик стабилизации
стабилитрона; статических и динамических передаточных и выходных
характеристик полевого транзистора; статических и динамических входных
и выходных характеристик биполярного транзистора в схемах включения с общим
эмиттером и общей базой; статического и диффе- ренциального сопротивлений
диода и стабилитрона, крутизны и выходного сопротивления полевого
транзистора, h-параметров биполярного транзистора; технологического разброса
ВАХ и параметров диода, стабилитрона, полевого и биполярного транзисторов
Компьютерные технологии в приборостроении
26

27.

Примеры приборов и систем
АПК «Электроника».
Перечень реализуемых функций
Исследование работы
диода на переменном
токе при активной и активно-емкостной нагрузке;
стабилитрона в схеме параметрического стабилизатора
напряжения; полевого и биполярного транзисторов
на переменном токе в линейном и нелинейном режимах
при различных сопротивлениях нагрузки
Возможность визуализации на ПЭВМ
установки и изменения положения рабочей точки на ВАХ
исследуемых полупроводниковых приборов в динамическом
режиме работы
Компьютерные технологии в приборостроении
27

28.

Примеры приборов и систем
АПК «Электроника».
Виртуальные стенды
Лицевая панель виртуального
лабораторного стенда
по измерению характеристик
и параметров стабилитрона
Лицевая панель виртуального
лабораторного стенда по измерению
вольт-амперных характеристик
и параметров полевых транзисторов
Компьютерные технологии в приборостроении
28

29.

Примеры приборов и систем
Обобщенная унифицированная схема построения
системы АЛП «Электроника»
Компьютерные технологии в приборостроении
29

30.

Примеры приборов и систем
Схема организации лабораторного практикума
на базе АПК «Электроника»
Компьютерные технологии в приборостроении
30

31.

Примеры приборов и систем
Плата сбора данных серии M
и её основные технические характеристики
Тип
платы
сбора
данных NI
Число каналов
аналого
-вого
ввода
аналогового
вывода
цифровых
вводавывода
PCI-6221M
16/8
2
24
PCI-6289M
32/16
4
PCI-6251M
16/8
2
Диапазон
аналогового
вводавывода, В
Разрядность,
бит
Макс. скорость,
выборка/с
аналогового
ввода
аналогового
вывода
АЦП
ЦАП
±10
16
16
250 тыс.
833 тыс.
48
±10
18
16
625 тыс.
2,8 млн
24
±10
16
16
1,25 млн
2,8 млн
Компьютерные технологии в приборостроении
31

32.

Системный подход к построению расчетных моделей
Иерархия системы при системном подходе
Суперсистема
Исследуемый
объект как
Другие
объекты как
система
э
л
е
м
е
н
т
А1
э
л
е
м
е
н
т
Аn
Подсистема A
системы
э
л
е
м
е
н
т
K1
э
л
е
м
е
н
т
Km
Исследование
элемента как
системы
n, m – число
элементов в
подсистемах А и К
Подсистема К
Компьютерные технологии в приборостроении
32

33.

Системный подход к построению расчетных моделей
Принципы системного подхода
1. Если исследуемый объект (конструктивный узел, физический процесс в ПС,
технологическая операция и т. п.) представляется в виде системы, то в нем можно
выделить совокупность подсистем, каждая из которых при определенных условиях
может быть рассмотрена как отдельная самостоятельная система. Сам объект при
определенных условиях становится элементом другой системы более высокого
уровня (суперсистемы). Создается определенная иерархия систем, показанная
на слайде 31 (на предыдущем слайде).
2. Необходимая полнота элементов, включенных в систему из исследуемого
объекта (замкнутость системы), определяется по силе связи между этими элементами,
которая должна быть более чем на два порядка больше силы связи этих же элементов
с другими элементами, не входящими в данную систему. Этот признак
свидетельствует о возможности исследовать объект автономно, выделив его
из окружения других объектов в целостном виде как систему.
3. Целесообразность представления исследуемого объекта в виде системы
проверяется на свойстве эмерджентности, а именно: система должна обладать
новыми свойствами, не присущими ни одному из ее элементов. Это означает, что
расчленив объект на части и изучив их по отдельности, нельзя познать все его
свойства.
Компьютерные технологии в приборостроении
33

34.

Системный подход к построению расчетных моделей
Формализация технического или физического процессов
_
Z
_
_
_
X
Q
Y
_
_
_
_
_
Y ζ =W X ζ , Q( Z )
Y_
X_
– вектор выходных характеристик,
Q
_
– вектор внутренних параметров,
Z
– вектор внешних воздействий,
– вектор входных характеристик,
ζ
– вектор независимых переменных
( – время, ω – частота, s – оператор Лапласа, l – геометрический параметр)
Компьютерные технологии в приборостроении
34

35.

Системный подход к построению расчетных моделей
Показатели параметрической чувствительности
Под параметрической чувствительностью системы понимается ее свойство
изменять свои выходные характеристики при изменении внутренних параметров. При
этом входные воздействия рассматриваются равными своим расчетным значениям
без отклонений, т. е. не вносящими вклада в изменения выходных характеристик.
Причины изменения параметров могут быть различными. В приборе параметры
изменяются под влиянием случайных факторов или при специально вводимых
регулировках, настройках и других работах.
Чувствительностью к изменению внутренних параметров обладают практически
все выходные характеристики технического процесса. В общей теории
чувствительности систем широко используется количественный показатель
параметрической чувствительности в виде частной производной выходной
характеристики yj по соответствующему, например, k-му параметру q, который
называют функцией параметрической чувствительности (ФПЧ):
Aqy (ζ) =
j
k
∂y j ζ
∂q k
|Q0 ,
где Q0 – вектор расчетных значений параметров, при которых вычисляется частная
производная.
Знак численного значения ФПЧ определяет направление изменения yj-й
характеристики при изменении qk-го параметра в сторону увеличения.
Компьютерные технологии в приборостроении
35

36.

Системный подход к построению расчетных моделей
Показатели параметрической чувствительности
При решении многих задач проектирования ПС, когда по результатам расчетов
необходимо количественно сравнивать ФПЧ, применяют относительную форму
представления ФПЧ:
S qy
j (ζ)
k
y j (ζ)
= Aq
k
qk
y j (ζ)
.
При этом для проектных процедур «ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ» в методиках
автоматизированного проектирования используют матрицу относительных ФПЧ:
h1
SY
Q
0,09
0,15
0,05
0,01
h2
h3
h4
h5
0,14
0,18
0,47
0,30
0,50
0,15
– 0,41
0,30
0,76
1,25
– 2,10
0,12
– 0,45
0,10
0,52
– ,
y
y
y
y
1
2
3
4
Компьютерные технологии в приборостроении
36

37.

Расчетные модели
Классификация расчетных моделей
Тип модели
Расчетные модели
Режимные
Модели
электрических Функциональные
процессов
Полные
Модели
тепловых
процессов
Модели
механических
процессов
Стационарные
Нестационарные
Вектор-функция
Дифференциаль- Аналитические
ное уравнение
модели
Матричное
уравнение
Направленный
граф
Блок-схема
Статические
Динамические
Комплексные
Вид модели
Соединение
многополюсников
Гиперграф
Структурные
модели
Морфологические модели
Эквивалентная
Топологицепь
Ненаправленный ческие модели
граф
Компьютерные технологии в приборостроении
37

38.

Расчетные модели
Аналитические модели
Под
аналитической
расчетной
моделью понимается
математическая модель, представленная средствами математического
анализа и алгебры в форме буквенных выражений, определяющих
зависимость выходных характеристик ПС и его показателей от входных
воздействий, внутренних параметров и независимых аргументов (времени,
частоты, пространственных координат, переменной преобразования
Лапласа и пр.).
Пример: электрическая модель экранированного электрического поля
конструкции прибора описывается зависимостью:
y( )
q1
x( ),
q1 q2 q3
где x(ζ ) E(ω) – напряжение источника наводки в функции частоты сигнала;
y(ζ ) U (ω) – наводимое напряжение на заданном элементе приемника
наводки конструкции ПС; q1 Cи.п. , q2 Cэ.п. , q3 Cп.к. – емкости между источником и приемником наводки, между экраном и приемником наводки, между
приемником наводки и корпусом прибора.
Компьютерные технологии в приборостроении
38

39.

Расчетные модели
Структурные модели
1. Структурная модель состоит из вершин (изображаемых точками) и дуг
(непрерывными линиями), которые ориентированы стрелками, причем каждая
дуга соединяет две вершины, т. е. выходит из одной и входит в другую
в соответствии с направлением стрелки.
2. Все вершины нумеруются, и каждой из них ставится в соответствие одна
переменная величина – входное воздействие xi , выходная характеристика yi или
промежуточная переменная величина yi .
3. Переменная величина каждой вершины передается по тем направлениям,
которые указаны стрелками дуг, выходящих из этой вершины.
Wij ,
4. Каждая дуга модели характеризуется передаточным оператором
где i – номер вершины, из которой выходит дуга (начало дуги), а j – номер
вершины, в которую она входит (конец дуги). Передаточный оператор___
Wij
приложен к переменной i вершины при передаче ее в вершину j.
5. Переменная величина любой r-й вершины модели складывается из составляющих,
обусловленных передачами переменных величин по дугам, входящим в рассматриваемую rю вершину: er Wij ei , где i принимает значения номеров только тех вершин, откуда
начинаются дуги, i входящие в r-ю вершину. Переменные величины некоторых вершин,
являющиеся входными воздействиями модели, не имеют входящих дуг, так как эти величины
должны быть заданы в исходной информации к расчету.
Компьютерные технологии в приборостроении
39

40.

Расчетные модели
Структурные модели
Фрагменты структурной модели
до преобразования
Wjk
Wij
j
i
после преобразования
…
k
Win WijWik ...Wmn
Win
m
n
i
n
Формула
преобразования
Wij1
d
Wij2
W jk
j
i
W*ij
k
l 1
j
i
Wijd
W ij
Wij Wijl
Wij
j
…
i
Wjk
j
i
*
k
Wjj
j
i
Wkj
i
k
i
i
Wim
Wjm
j
Wlm
…
l
Wmn
m
j
n
Wkk
Wkk W jkWkj
k
Win
Win WimWmn
Wjn
W jn W jmWmn
Wln
…
l
1 W jj
Wik WijW jk
Wik
Wjk
Wij
W ij
Wij
n
.....................
Wln WlmWmn
Компьютерные технологии в приборостроении
40

41.

Расчетные модели
Примеры структурных моделей
Устройство
автоматической
подстройки
частоты:
С
–
У1, У2 – усилители, Д – дискриминатор, УУ – узел управления, Г – гетеродин.
x1 c
С
y1 Г
У1
y3 Г
Д
У2
УУ
Структурная
электрическая
модель
устройства
частоты в первой унифицированной форме представления
2
W12 1
W23 W СУ
W34 1
3
у3 Г
7
W12 W СУ
x1
6
2
5
х2 3
у2 U Д
W24 W ДУ
W52 W СУ
у3 Г
W54 1
подстройки
у1 U Д
c
5
4
автоматической
W46 W ДУ
W67 W УГ
1
x2 3
y2 U Д
Г
1
смеситель,
W45 W УГ
4
у2 U Д
3
х3 3
Компьютерные технологии в приборостроении
41

42.

Расчетные модели
Топологические модели
Топологическая модель состоит из узлов, изображаемых точками,
и ветвей, изображаемых непрерывными линиями, причем каждая ветвь
соединяет два узла.
Пассивная ветвь
Переменная
узла
Параметр ветви
i
i
(t – номер параллельной
ветви)
hijt
ijt
j
j
Номер узла
Переменная ветви
Компьютерные технологии в приборостроении
42

43.

Расчетные модели
Топологические модели
Активные независимые ветви
Источник потенциального воздействия
Xijt
i
l
+ –
m
j
X ijt = ij f (qk )
Источник потокового воздействия
ijt
>>
i
j
ijt ij f (qk )
Активные зависимые ветви
i
i
i
Xijt
ijt
+
j
j
j
i
j
l
m
lmn
X ijt = klmnijt lmn
X ijt = klmnijt lmn
ijt = klmnijt lmn
ijt = klmnijt lmn
Компьютерные технологии в приборостроении
43

44.

Расчетные модели
Электрические модели резистора, конденсатора, индуктивности
НЧ
а
СВЧ
б
в
г
Топологические модели ЭРЭ для низкочастотной области (а)
и высокочастотные топологические модели резистора (б), конденсатора (в)
и катушки индуктивности (г): LR и CR – индуктивность и емкость выводов
и проводящей части резисторов; RL – сопротивление обмотки; CL – межвитковая емкость; RC – сопротивление потерь в диэлектрике; LC – индуктивность выводов и обкладок конденсатора
Компьютерные технологии в приборостроении
44

45.

Расчетные модели
Модели диода и транзистора
Эквивалентная схема диода
С
IД
rб
I
I д I0 exp U
m
Ry
U
Эквивалентная модель
Эберса – Молла для биполярного
транзистора
U
I э I 'э0 exp э
mэ т
1 ,
U
I к I 'к0 exp к
mк т
1 ,
Cэ
Cк
Сэ0
1 U э
кэ
1
1 U к
кк
1
2
C Cб0 0 0
U
n
Iд I0
m
Ск
Сэ
Э
rэ
Rуэ
iэ
Iэ
Rук
rк
Iк
iк
F
I э I 'э0 ,
mэ т
α0i Iк
α0i Iэ
R
Iк I 'к0
mк т
Uэ
Uк
2
Ск0
1 ,
iб
К
rб
Б
Компьютерные технологии в приборостроении
45

46.

Расчетные модели
Температурные зависимости.
Электрические характеристики ЭРЭ
Rnom= ·R[1 + TC1(t – tnom) + TC2(t – tnom)],
где Rnom – номинальное сопротивление; R – масштабный множитель сопротивления; TC1 и TC2 –
линейный и квадратичный температурные коэффициенты сопротивления – 1/ ºС, 1/ ºС2 (берутся
из справочника исходя из типономинала элемента, например, 1200·10–6 1/ ºС для резисторов
МЛТ-0,5); tnom – номинальная температура окружающей среды (по умолчанию 27 ºС);
t –
текущая (рабочая) температура.
Сnom = C·(1 + VC1·V + VC2·V2) · [1+TC1·(t – tnom)+TC2·(t – tnom)2],
где Сnom – номинальная емкость; С – масштабный множитель емкости; V – приложенное
напряжение; VC1 и VC2 – линейный и квадратичный коэффициенты напряжения; TC1 и TC2 –
линейный и квадратичный температурный коэффициенты емкости (берутся из справочника
исходя из типонoминала элемента).
Зависимость С(V) учитывается только при расчете переходных характеристик. При расчете
частотных характеристик VC1 = VC2 = 0.
Компьютерные технологии в приборостроении
46

47.

Расчетные модели
Температурные зависимости.
Электрические характеристики ЭРЭ
Зависимость параметров элементов эквивалентной схемы диода от
температуры:
IS(T) = IS exp {EG(T) / [N·Vt(T)] T / Tnom – 1)}·(T / Tnom)XTI/N;
ISR (T) = ISR exp {EG(T) / [N·Vt(T)]T/Tnom– 1)}·(T / Tnom)XTI/N;
IKF(T) = IKF [1 + TIKF(T – Tnom)];
BV(T) = BV[1+TBV1(T – Tnom)+TBV2(T –Tnom)2];
RS(T) = RS[1+TRS1(T –Tnom)+TRS2 (T – Tnom)2];
VJ(T) = VJ·T / Tnom – 3Vt(T)ln(Tt / Tnom) – EG(Tnom)T / TnomT + EG(T);
CJO (T) = CJO {1 + M[0,0004 (T – Tnom)+1 – VJ(T) / VJ]};
KF(T) = KF·VJ(T) / VJ ;
AF (T) = AF ·VJ(T) / VJ ;
EG(T) = EGO – aT2/(b + T),
где EG (Tnom) – ширина запрещенной зоны при номинальной температуре (1,11 эВ для
кремния; 0,67 эВ для германия; 0,69 эВ для диодов с барьером Шотки при
температуре 27 °С). Значения параметров IS, Vt, VJ, CJO, KF, AF , EG берутся для
номинальной температуры Tnom; для кремния EGO = 1,16 эВ, a = 7·10–4, b = 1108;
XTI = 3 для диодов с p–n-переходом и XTI = 2 для диодов с барьером Шотки.
Компьютерные технологии в приборостроении
47

48.

Расчетные модели
Температурные зависимости.
Электрические характеристики ЭРЭ
Параметры элементов эквивалентной схемы диода
Имя параметра
Параметр
Значение
Размерность по умолчанию
AF
Показатель степени, определяющий
зависимость спектральной
плотности фликкер-шума от тока
через переход
–
1
CJO
Барьерная емкость при нулевом
смещении
Ф
0
EG
Ширина запрещенной зоны
эВ
1.11
IS
Ток насыщения при температуре
27 °С
А
10–14
KF
Коэффициент фликкер-шума
–
0
VJ
Контактная разность потенциалов
В
1
Компьютерные технологии в приборостроении
48

49.

Расчетные модели
Модель биполярного транзистора в программе OrCAD 9.2
В OrCAD 9.2 используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели
Гуммеля – Пуна, которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших
смещениях на переходах. Эта модель автоматически упрощается до более простой модели Эберса – Молла, если
опустить некоторые параметры.
а
б
а – модель Гуммеля – Пуна; б – передаточная модель Эберса – Молла; принятые обозначения: IB – ток базы;
IC – ток
коллектора; IBE – ток коллектора в нормальном режиме; IBC1 – ток коллектора в инверсном режиме; IBE2, IBC2 –
составляющие тока перехода база-эмиттер, вызванные неидеальностъю перехода; IS – ток подложки; UBE, UBC –
напряжения на переходе внутренняя база-эмиттер и внутренняя база-коллектор; UBS – напряжение внутренняя базаподложка; UBN – напряжение внутренняя база-подложка для режима квазинасыщения; UBX – напряжение базавнутренний коллектор; UCB – напряжение внутренний коллектор-внутренний эмиттер; UJS – напряжение внутренний
коллектор-подложка для NPN-транзистора, напряжение внутренняя подложка-коллектор для PNP-транзистора или
напряжение внутренняя база-подложка для LPNP-транзистора
Компьютерные технологии в приборостроении
49

50.

Расчетные модели
Параметры модели биполярного транзистора в OrCAD 9.2
Имя параметра
1
Параметр
Размерность
2
3
Значение
по умолчанию
4
AF
Показатель степени, определяющий зависимость спектральной
плотности фликкер-шума от тока через переход
–
1
BF
Максимальный коэффициент передачи тока в нормальном режиме в
схеме с ОЭ (без учета токов утечки)
–
100
BR
Максимальный коэффициент передачи тока в инверсном режиме в
схеме с ОЭ
–
1
CJC
Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении
Ф
0
CJE
Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении
пФ
0
Емкость коллектор-подложка при нулевом смещении
Ф
0
EG
Ширина запрещенной зоны
эВ
1,11
FC
Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных
переходов
–
0,5
GAMMA
Коэффициент легирования эпитаксиальной области
А
10–11
IKF (IK)*
Ток начала спада зависимости BF от тока коллектора
в нормальном режиме
–
∞
IKR*
Ток начала спада зависимости BR от тока эмиттера
в инверсном режиме
А
∞
IRB*
Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50 %
полного перепада между Rb и Rbm
А
UO
Ток насыщения при температуре 27 °С
А
10–16
ISC (C4)*
Ток насыщения утечки перехода база-коллектор
А
0
ISE (C2)*
Ток насыщения утечки перехода база-эмиттер
А
0
CJS (CCS)
IS
Компьютерные технологии в приборостроении
50

51.

Расчетные модели
Параметры модели биполярного транзистора в OrCAD 9.2
Имя параметра
Параметр
Значение
Размерность по умолчанию
ISS
Обратный ток р–n-перехода подложки
А
0
ITF
Ток, характеризующий зависимость TF от тока коллектора при больших токах
А
0
KF
Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер-шума
–
0
–
0,33
Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного перехода
–
0,33
Коэффициент, учитывающий плавность перехода коллектор-подложка
–
0
Коэффициент неидеальности коллекторного перехода
–
1,5
Коэффициент неидеальности перехода база-эмиттер
–
1,5
Коэффициент неидеальности в нормальном режиме
–
1
Коэффициент, определяющий множитель QB
–
0,5
Коэффициент неидеальности в инверсном режиме
–
1
NS
Коэффициент неидеальности перехода подложки
–
1
PTF
град.
0
QCO
Дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора fгр = 1 /
(2πTF)
Множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области
Кл
0
RB
Объемное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении
перехода база-эмиттер
Ом
0
Минимальное сопротивление базы при больших токах
Ом
RB
MJC (МС)
MJE (ME)
MJS (MS)
NC*
NE*
NF
NK
NR
RBM*
Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного перехода
Компьютерные технологии в приборостроении
51

52.

Расчетные модели
Параметры модели биполярного транзистора в OrCAD 9.2
Размерность
RC
Объемное сопротивление коллектора
Ом
Значение
по
0
умолчанию
RCO
Сопротивление эпитаксиальной области
Ом
0
RE
Объемное сопротивление эмиттера
Ом
0
TF
Время переноса заряда через базу в нормальном режиме
с
0
TR
Время переноса заряда через базу в инверсном режиме
с
0
Имя параметра
Параметр
TRB1
Линейный температурный коэффициент RB
°С–1
0
TRB2
Квадратичный температурный коэффициент RB
°С–2
0
TRC1
Линейный температурный коэффициент RB
°С–1
0
TRC2
Квадратичный температурный коэффициент RC
°С–2
0
TRE1
Линейный температурный коэффициент RE
°С–1
0
TRE2
Квадратичный температурный коэффициент RE
°С–2
0
TRM1
Линейный температурный коэффициент RBM
°С–1
0
TRM2
Квадратичный температурный коэффициент RBM
°С–2
0
T_ABS
Абсолютная температура
°С
–
T_MEASURED
Температура измерений
°С
–
Относительная температура
°С
–
Разность между температурой транзистора и модели-прототипа
°С
–
VAF (VA)*
Напряжение Эрли в нормальном режиме
В
∞
VAR (VB)*
Напряжение Эрли в инверсном режиме
В
∞
VJC (PC)
Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор
В
0,75
T_REL_GLOBAL
T_REL_LOCAL
Компьютерные технологии в приборостроении
52

53.

Расчетные модели
Параметры модели биполярного транзистора в OrCAD 9.2
Имя параметра
Параметр
Размерность
Значение
по умолчанию
VJE (PE)
Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер
В
0,75
VJS(PS)
Контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка
В
0,75
VO
Напряжение, определяющее перегиб зависимости тока эпитаксиальной области
В
10
VTF
Напряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база-коллектор
В
∞
XCJC
Коэффициент расщепления емкости база-коллектор CJC
–
1
XCJC2
Коэффициент расщепления емкости база-коллектор CJC
–
1
XTB
Температурный коэффициент BF и BR
–
0
XTF
Коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения
база-коллектор
–
0
Температурный коэффициент IS
–
3
XTI (PT)
* Только для модели Гуммеля – Пуна
Примечание. В круглых скобках в левой графе таблицы указаны
альтернативные обозначения параметров. Параметр RB для модели Эберса –
Молла имеет смысл объемного сопротивления базы, не зависящего от тока базы.
Остальные параметры имеют одинаковый смысл для моделей Эберса – Молла
и Гуммеля – Пунна.
Компьютерные технологии в приборостроении
53

54.

Расчетные модели
Макромодель операционного усилителя
Rвх а
а
а
Rс
б
I0
Rвых
Rвх а
I0
Rвых
Rвх б
Компьютерные технологии в приборостроении
54

55.

Расчетные модели
Макромодель функционального узла
I вх
I вых
U вх
ФУ
U вых
Z вых
2
3
I вх
U вх
Z вх
U вых
E KU вх
1
Компьютерные технологии в приборостроении
4
55

56.

Расчетные модели
Макромодель усилителя напряжения.
Усилитель, состоящий из 3 каскадов
1
U вх
Z вх1
2
Z вых1
U вых1
E1
Z вх 2
3
Z вых 2
U вых 2
E2
Z вых3
Z вх3
U вых3
Rн
E3
E1 = Uвх ∙Ku1 E2 = Uвых ∙ Ku2 E3 = Uвых ∙ Ku3,
rвх2= rвх1∙ rвх,
E3 = [(Uвх ∙ Ku1)∙ Ku3]∙ Ku3 E3 = Uвых.
Компьютерные технологии в приборостроении
56

57.

Расчетные модели
Макромоделирование функциональных узлов
Макромодель – упрощенная модель, связывающая
входные и выходные
характеристики функционального узла ПС с частичным раскрытием его внутренних
параметров.
Классификация методов макромоделирования
Методы макромоделирования
Преобразование
исходной модели
Упрощение
полной модели
Переход в модель
компактного вида
Использование
методов редукции
Описание связей
вход – выход
Использование
экспериментальных
методов
Компьютерные технологии в приборостроении
57

58.

Расчетные модели
Упрощение полной модели
R1
R3
Uвых
1
V T3
V T1
V T2
2
3
V T4
4
Uвх
R2
Электрическая схема
ТТЛ-вентиля
Передаточная
характеристика
ТТЛ-вентиля
Заменим транзисторы VT1–VT4 упрощенной (не учитывающей
динамические свойства транзистора и активные сопротивления эмиттера,
базы и коллектора) моделью Эберса – Молла.
Компьютерные технологии в приборостроении
58

59.

Расчетные модели
Упрощение полной модели
В результате замены получим полную модель ТТЛ-вентиля. Проведя расчет
полной модели, определив и проанализировав функции чувствительности, получаем
ряд макромоделей, каждая из которых соответствует своему участку (1–4)
передаточной характеристики.
1
а
2
3
б
в
4
г
Макромодели ТТЛ-вентиля для разных участков передаточной характеристики
На участке 1 наибольшими являются чувствительности выходной характеристики к
изменению резистора R3 и параметрам транзистора VT3. В результате на участке 1
макромодель принимает вид, показанный на рис. а. Аналогичный анализ функций
чувствительности позволяет определить макромодели на участках 2–4 (рис. б–г).
Компьютерные технологии в приборостроении
59

60.

Расчетные модели
Электрическая схема стабилизатора
Процесс построения макромодели разобьем на два этапа. На первом этапе
получим топологию макромодели, а на втором определим параметры элементов
макромодели.
Компьютерные технологии в приборостроении
60

61.

Расчетные модели
Передаточная характеристика стабилизатора напряжения
Uвых
Uвх
Компьютерные технологии в приборостроении
61

62.

Расчетные модели
Схема стабилизатора
Компьютерные технологии в приборостроении
62

63.

Расчетные модели
Результаты замены источника опорного напряжения
и источника тока их эквивалентами
Компьютерные технологии в приборостроении
63

64.

Расчетные модели
Результаты замены усилителя мощности
Компьютерные технологии в приборостроении
64

65.

Расчетные модели
Результат замены узла сравнения
Компьютерные технологии в приборостроении
65

66.

Расчетные модели
Топология макромодели стабилизатора напряжения
Компьютерные технологии в приборостроении
66

67.

Расчетные модели
Блок-схема алгоритма исследования электрических характеристик ПС
на основе макромоделей
Начало
14
D
Изменение ТЗ
1
Разделение
принципиальной
схемы на ФУ
9
Построение макромодели
электрической
части прибора
на базе
макромоделей ФУ
10
2
Цикл по ФУ (i =1,k)
B
A
3
Определение
требований
к ФХ i-го ФУ
4
5
Да
E
Моделирование
ФХ
Моделирование
ФХ i-го ФУ
Значения
ФХ i-го ФУ
удовлетворительные?
C
11
Нет
Значения
ФХ удовлетворяют
требованиям ТЗ?
Конец
Нет
F
Да
H
Компьютерные технологии в приборостроении
67

68.

Расчетные модели
Блок-схема алгоритма исследования электрических характеристик ПС
на основе макромоделей
H
12
Анализ
результатов
и внесение
изменений
в проект
С учетом
анализа ФПЧ
F
13
С
D
Корректировка
макромодели
6
Анализ результатов
и внесение
изменений
в проект
C
E
8
7
Изменение макромодели i-го ФУ
B
Корректировка
требований
к ФУ i-го ФУ
A
Компьютерные технологии в приборостроении
68

69.

Расчетные модели
Модели тепловых процессов
Эскиз конструкции блока с установленным в нем печатным узлом (а)
и граф его модели тепловых процессов (б)
Печатный узел
2
1
2
2,6
32
Корпус
блока
a
б
Температура корпуса известна и составляет 32°С. Мощность
тепловыделения в печатном узле составляет 2,6 Вт.
Компьютерные технологии в приборостроении
69

70.

Расчетные модели
Модели тепловых процессов
Топологическая тепловая модель системы тел
«печатный узел – корпус блока»
2
2
1
2,6
2
32
Идеализация конструкции: представим печатный узел в виде условно изотермичного объема
(узел № 1); корпус блока примем также в виде условно изотермического объема с заданной
температурой (узел № 2).
Тепловая энергия, выделяемая в печатном узле (узел 1), передается с каждой поверхности
печатной платы корпусу посредством теплового излучения и конвекции в воздушных прослойках
(ветви 1–2), как это показано на предыдущем слайде (слайд 68, рис. б). В случае учета передачи
тепловой энергии через элементы крепления печатного узла к корпусу блока (например, через
разъем) МТП примет вид, показанный на рисунке выше.
Компьютерные технологии в приборостроении
70

71.

Расчетные модели
Модели тепловых процессов
Плоский воздушный канал (а) и его тепловая топологическая модель (б и в)
4
Печатный
узел
1
Стенка
корпуса
блока
2
а
7,5
2
3
b
30
1
а
Воздушный
поток
0
{3 — воздух на
выходе из канала}
(3
1
0)
2
3
7,5
в
б
0 — ветвь, моделирующая
сток тепловой энергии)
Компьютерные технологии в приборостроении
71

72.

Расчетные модели
Модели тепловых процессов
Граф топологической МТП печатного узла,
сформированной на основе симметрии: Тк температура корпуса блока
y
4
13
3
13
2
DD1
0
0
DD4
DD3
1
Тк
a
1…4 14
DD2
x
2
1
3
4
5
14
6
Р3
y
С7
С9
Р2 С
8
x
5
С5
С3
8
С2
10
3
6
С6
1
12
7 С10
9
DD1
ТПУ2
2
4
3
ТК
4
2
С1
4
1
в
г
(i=1, 4)
Р1
С12
11
Р1
Сi
Р4
С11
б
5, 6, 7,
8
5
5
ТПУ2
д
Компьютерные технологии в приборостроении
72

73.

Расчетные модели
Модели механических процессов
Фрагмент структуры топологической вибрационной модели печатного узла
y
4
+
a1
3
11
6
0
А1
Oпора 5
R1
m7 7
R2
1
0
VT1
m6
1
a2
C2
12
m11 m12
2
+
R3
16
17
m16 m17
C3
2
m2
m1
0
C1
x
1
2
Oпора 4
3
4
5
Oпора 6
Компьютерные технологии в приборостроении
73

74.

Расчетные модели
Модели механических процессов
Алгоритм иерархического моделирования
механических процессов блока
Начало
1
Моделирование МХ
блока
Граничные условия
(виброускорения
в местах установки
печатных узлов)
Граничные условия
(виброускорения
в местах установки ЭРЭ
на печатной плате)
2
Моделирование МХ
печатных узлов
3
Моделирование
усталостной прочности
выводов ЭРЭ
В качестве модели
применяется модель
с сосредоточенными или
с сосредоточенными
и распределенными
параметрами
В качестве моделей
применяются модели
с распределенными
параметрами несущих
элементов (печатных
плат) и макромоделей
ЭРЭ
В качестве моделей ЭРЭ
применяются модели
с распределенными
параметрами
Конец
Компьютерные технологии в приборостроении
74

75.

Расчетные модели
Модели механических процессов
Пример механической модели
блока: а – модель корпуса;
б, в – учет в модели
конструктивных узлов и
элементов (Т1, ПУ1, ПУ2);
г – частотная характеристика
участка конструкции
Фрагмент модели
дна корпуса
T1
ПУ1,
ПУ2
m
б
в
Точки крепления
ПУ1 и ПУ2
А (ускорение), g
Частотная характеристика
fН , fВ
z
нижняя и верхняя
частоты рабочего
диапазона fраб
f (частота),
y
x
a
f
f
в
f
раб
f
01
f
02
Гц
н
Компьютерные технологии в приборостроении
75
г

76.

Расчетные модели
Модели безотказности
Показатели безотказности
Статистическое определение
Вероятностное определение
Вероятность безотказной работы
Отношение числа исправных в момент
времени t объектов к первоначальному числу
объектов N:
P* (t )
N n(t ) Q* (t ) n(t ) ,
,
N
N
где n(t) – число отказавших объектов к
моменту времени; t – вероятность отказа
P(t ) P( t )
Q(t ) 1 P(t ) P( t ),
где t – момент наступления отказа объекта;
P(t ) P(τ t ) – интегральная функция
распределения времени наступления отказа
Частота отказов
Отношение числа отказавших объектов в
единицу времени к первоначальному числу
объектов
a* (t )
n( t ) N (t ) N (t t )
N (t t ) N (t )
N t
N t
N t
p(t t ) p(t )
.
t
a(t ) lim a* (t ) lim
t 0
t 0
p(t t ) p(t )
p '(t ) F '(t ) f (t ),
t
где f(t) – плотность распределения времени
наступления отказа
Компьютерные технологии в приборостроении
76

77.

Расчетные модели
Модели безотказности
Показатели безотказности
Среднее время безотказной работы
Отношение общего времени работы объектов до
отказа (ti) к первоначальному числу изделий N:
T*
i 1
0
0
T tf (t )dt tp (t )dt
N
t
0
0
tp (t ) 0 p (t )dt p (t )dt
i
N
Интенсивность отказов
Отношение числа отказавших в момент t
объектов в единицу времени к среднему числу
объектов, находящемуся в работоспособном
состоянии в данный момент времени
N p(t t ) p(t )
n( t )
λ (t )
p(t ) N t
N n(t ) t
p(t t ) p(t )
p(t ) t
p '(t )
f (t )
p (t ) 1 F (t )
λ(t ) lim λ (t )
t 0
t
0
0
λ(t )dt
p '(t )
dt
p (t )
t
p (t ) e
λ( t ) dt
0
Компьютерные технологии в приборостроении
77

78.

Расчетные модели
Модели безотказности
Для большинства невосстанавливаемых объектов (прежде всего таких как
комплектующие электрорадиоизделия) в качестве показателя безотказности используется
интенсивность отказов λ(t ) , типичный вид которой показан на рисунке.
λ(t)
I
0
II
t1
III
t2
t
Типичная зависимость интенсивности отказов невосстанавливаемых объектов во времени.
Зависимость имеет три (I–III) характерных участка. Относительно высокая величина
λ(t ) на участке (0, t1) объясняется наличием большого числа отказов комплектующих
___
элементов и других дефектов. Этот участок времени называют периодом приработки
объекта. Второму участку (t1, t2) соответствует почти постоянное значение интенсивности
отказов. Это участок нормальной работы объекта. Он несоизмеримо более
продолжительный, чем участок приработки.
Последний, третий участок, начинающийся за t2, дает резкое возрастание
интенсивности отказов, что объясняется, как правило, механическим износом деталей и их
λ(t ) const поэтому P(t ) e λt ,
старением. Заметим, что для периода нормальной работы _________,
T 1 , a λe λt .
λ
Компьютерные технологии в приборостроении
78

79.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Общая постановка задачи компоновки
Задача компоновки, заключается в распределении элементов схемы
(в общем случае – модулей предыдущего уровня иерархии) по монтажным
пространствам
несущих
элементов (в общем
случае – по монтажным
пространствам несущих элементов данного уровня
иерархии). При этом
в качестве несущих элементов могут выступать, например, печатные платы,
подложки микросборок, кристаллы БИС и т. п. При решении задачи компоновки
основным
критерием
оптимальности является
минимизация
числа
межмодульных связей (разъемных соединений на несущих элементах или числа
выводов стандартных корпусов БИС).
В процессе проектирования ПС выделяют два варианта
постановки
задачи компоновки:
1. Компоновка схем в типовые конструкции, не имеющие схемной
унификации, например разрезание электрической принципиальной схемы
устройства на части заданного размера (в частности на типовые элементы
замены).
2. Компоновка схем в модули заданного схемно-унифицированного набора
(называют
покрытием), например переход
от
схемы
электрической
функциональной
к схеме
электрической
принципиальной, реализованной
на наборе интегральных схем (ИС), больших ИС и сверхбольших ИС.
Компьютерные технологии в приборостроении
79

80.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Общая постановка задачи размещения
В общем виде задача размещения заключается в определении
оптимального в смысле некоторого критерия положения элементов и связей
между ними в монтажном пространстве типовой конструкции ПС. При этом
должны соблюдаться конструктивно-технологические ограничения.
Для регулярного монтажного пространства (например для субблока или
ПП, на которой предполагается устанавливать однотипные ЭРЭ) задачу
размещения можно сформулировать следующим образом.
Имеется множество элементов E = {li / i = 1, N} и множество соединяющих
их цепей Q = {qk / k = 1, K}. Монтажное пространство определено множеством
фиксированных позиций для установки элементов T = {tj / j = 1, M}, причём
М N. Необходимо найти такое отображение множеств Е на множестве Т, при
котором достигается экстремум целевой функции F.
Главной целью размещения является создание наилучших условий
для последующей трассировки.
Компьютерные технологии в приборостроении
80

81.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Общая постановка задачи трассирвки
Трассировка заключается в определении конкретных геометрических параметров
печатного, плёночного или проводного монтажа, реализующего соединения между
элементами схемы. При этом исходными данными являются: список цепей, метрические
параметры и топологические свойства типовой конструкции и её элементов, результаты
решения задачи размещения, по которым находят координаты установки элементов или их
выводов. Формальная постановка задачи трассировки и метод её решения в значительной
степени зависит от вида монтажа (проводной, плёночный) и конструктивно-технологических
ограничений, определяющих метрические параметры и топологические свойства монтажного
пространства.
Для основных задач топологического проектирования печатных плат (ПП)
в математических моделях, в общем случае, должна быть отражена следующая информация
об элементах (или модулях) и монтажном пространстве конструкции:
1. Связанность элементов схемы с точностью до вывода с учётом направления
распространения сигнала и фактора неизвестности соединений в пределах одного комплекса
(электрической цепи).
2. Топологические свойства элементов, обуславливающие ограничения на построение
соединений (порядок расположения выводов, возможность прохода соединений между ними
и под элементом и т. п.).
3. Метрические параметры элементов (геометрические размеры, координаты и размеры
полей контактов).
4. Метрические параметры конструкции (геометрические параметры печатного монтажа).
5. Топологические свойства конструкции (число слоев ПП, наличие запрещенных для
трассировки зон, вырезов и т. п.).
Компьютерные технологии в приборостроении
81

82.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Математические модели схем
X1
X3
Неограф при
соответствии элементов
схемы вершинам графа
Цепь 1
5
1
2
4
6
Э1
11
5
Э3
X2
X1
Цепь 2
1
10
12
Э2
8
8
10
2
4
Э4
Цепь 3
11
У5(х1)
У11(х1)
У5(х3)
У5(х1)
У4(х3)
У8(х2)
У2(х4)
У11(х3)
11
Фрагмент принципиальной
электрической схемы
Граф схемы при соответствии
вершин графа выводам
Компьютерные технологии в приборостроении
82

83.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Математические модели схем
DD1
DD2
DD3
X1
[T]=
1
1
3
1
3
2
3
6
8
6
3
9
2
7
5
4
4
4
2
9
5
5
0
0
7
6
8
0
0
2
х1
х3
U1
Контакты
U2
х4
х2
U3
Элементы
Пример матрицы цепей
Гиперграф схемы
DD1
DD1
DD2
[S] =
DD3
X1
0
2
2
3
DD1
2
0
1
3
DD3
2
1
0
2
X1
3
3
2
0
Матрица смежности
[Q] =
DD1
DD2
DD3
X1
1
1
0
1
0
2
0
1
1
1
3
1
1
0
1
4
1
1
0
0
5
1
0
0
1
6
0
1
0
1
7
0
0
1
1
8
1
0
1
0
9
1
0
0
1
Пример матрицы
элементных комплексов
Компьютерные технологии в приборостроении
83

84.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Математические модели схем
3
4
5 ML 8
9
6
7 e2 11
7
1
5
e 14
3
5
7
1
T
9
X1
e 10
X2
X6
3
X3
8
3
4 MX 9
5
1
6
1
0
7 e4 1
e1
e2
e3
e4
e5
e6
3
5
6
3
4 T 9
5
6
10
7 e
9
T
e 10
5
X4
б
6
а
3 5 7
14
4 5 7
11 5
10
4 8
11 3
10
X5
8
9
3 7 9
3
9 10
6
4 6
7
5 9
3 5 9 10
Yx
в
Фрагменты схемы (а), неографа (б)
и представление цепей схемы лесом (в)
Компьютерные технологии в приборостроении
84

85.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Математические модели монтажного пространства
Вырез
б
а
Фрагмент печатной платы (а) и её граф Gr (б)
s
l
Разрешенное
направление
прокладки
трасс под 90
1
2
3
4
5
6
g
t
Разрешенное направление
прокладки трасс под 45
Печатная плата с МСБ (l = g)
Компьютерные технологии в приборостроении
85

86.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Математические модели монтажного пространства
1
2
3
7
t
Р9
Граф решетки
для 3 посадочных мест в блоке
1
2
3
6
5
s
t
1 2
Р2
Р0
Р8
Р4
ПУ
1
2
3
4
5
6
Р3
t
Граф решетки
для 6 посадочных мест на плате
Блок ПС
Р 1 Р7
2
Р6
3
4
Р5
1
а
7
Р0
P
P2
6
9
Р9
P
5
4
4
1
P
P
1
5
3
1
2
Р8
8
P
P
Р2
3
P7
3
P
2
6
4
Модель плотной укладки
5
1
Р1
Р4
2
Р3
3
Р5
5
Р7
Р6
4
б
Позиционные графы для плотной укладки:
а – вертикальный граф; б – горизонтальный граф
Компьютерные технологии в приборостроении
86

87.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Классификация алгоритмов компоновки
Алгоритмы компоновки
типовых конструкций (модулей)
Алгоритмы компоновки конструктивных узлов
Математические
модели
Методы
целочисленного
программирования
Последовательные
алгоритмы
Комбинаторные
методы
Параллельнопоследовательные
алгоритмы
Алгоритмы
парных
перестановок
Итерационные
алгоритмы
Алгоритмы
групповых
перестановок
Алгоритмы
покрытия
схем
Модули
с несвязными
элементами
Последовательные
алгоритмы
Компьютерные технологии в приборостроении
Модули
со связными
элементами
Последовательные
эвристические
процедуры
87

88.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Алгоритмы компоновки
3
1
&
9
3
2
4
&
8
1
4
10
&
1
6
5
12
1
&
1
5
1
5
11
1
1
10
13
2
а
б
Модули, состоящие из несвязанных (а) и связанных (б) элементов
Компьютерные технологии в приборостроении
88

89.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Алгоритмы размещения
(6)
(5)
Начальный вариант размещения
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
(7)
(3)
(4)
(2)
(1)
е1
Позиции
1
е2
е3
е4
е5
е6
2
3
4
5
6
е1 е2 е3
а
е6
Окончательный вариант размещения
(5) (7)
(6)
(7)
е4 е5
(3)
(6) (4)
(1)
(2)
е3
е1 е4
(4)
(1)
(5)
Позиции
(3)
(2)
е2
е6
е5
е3
1
2
3
4
е1
5
е4
е2 е6 е5
6
б
в
Пример размещения элементов и трасс некоторого фрагмента электрической схемы на ДРП:
а – начальный вариант размещения; б – двудольный граф;
в – окончательный вариант размещения
Компьютерные технологии в приборостроении
89

90.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Классификация алгоритмов размещения
Алгоритмы размещения
Конструктивные
алгоритмы начального
размещения
Итерационные
алгоритмы
размещения
Непрерывнодискретные
методы
Компьютерные технологии в приборостроении
Метод последовательного сдвига
Метод силовых функций
Метод случайного поиска
Алгоритм групповых перестановок
Алгоритм парных перестановок
Параллельнопоследовательные
алгоритмы
Метод разбиения
Матричные алгоритмы размещения
Алгоритмы последовательного
размещения по связанности
Аналитические методы оптимизации
Метод ветвей и границ
Последовательные
алгоритмы
Метод обратного размещения
Математические
модели
90

91.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Классификация алгоритмов трассировки
Алгоритмические методы трассировки соединения
Топографические методы
Получение
списка соединения
(таблица проводов)
Расслоение
Очередности прокладки
соединения
Трассировка соединения
Алгоритмы построения
минимизации деревьев
Метод раскраски
графа пересечения
Ортогональное расслоение
с минимизацией переходов
Оценка длин соединений
числа соединений и др.
Графотеоретические
методы
Построение графа схемы
Анализ планирования
Планаризация
Выделение
плоских
подграфов
Динамическая
схема упорядочения
Изображение графа схемы
на плоскости
Волновой алгоритм
и его модификация
Получение эскиза
топологии
Трассировка
по магистралям
Канальная трассировка
Компьютерные технологии в приборостроении
91

92.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Алгоритмы трассировки печатного монтажа
h
Ячейка дискретного
рабочего поля (ДРП)
Печатный
проводник
h
h
h
h /2
Схема плоскости монтажа
при использовании алгоритма Ли
3
3 2
3 2 1
3 2
3
3
2
1
А
1
2
3
3
2 3
1 2 3
2 3
3
Процесс
распространения
волны:
ДРП
«1» – 1-й фронт волны;
«2» – 2-й фронт волны;
«3» – 3-й фронт волны
Компьютерные технологии в приборостроении
92

93.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Алгоритмы трассировки печатного монтажа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
5
4
3
2
3
4
5
6
7
2
4
3
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 2
2
2 1
1 3
3 2
2 1
3 2
1 3
2 1
3 2
1 3
3
3
2
1
А
1
2
3
4
5
4
4
3
2
1
2
3
4
5
6
5
5
4
3
2
3
4
5
6
7
6
6
5
4
7
8
6
5
6
7
8
9
7 8
8 9
8 9
8 9
7 8
6 7
7 8
8
9
10 В
9 10
10 11
3
1
3
2
1
А
1
2
3
1
2
4
2
1
3
2
1
2
3
1
2
3
5
3
2
1
3
2
3
1
2
3
1
6
1
3
2
1
8
3
2
1
3
1
2
3
1
3
7
2
1
3
2
3
1
2
3
1 2
2
10 11
9
8
9
Запрещенные ячейки ДРП
для трассировки
Построение
минимального
пути
в
ортогональной метрике: А – источник волны; В –
приемник волны; способ соседства ячеек – «общее
ребро»; предпочтительные направления – вверх,
вправо, вниз, влево
11
12
9 10 11
1
2
3
Пример работы алгоритма кодирования по
модулю «3»: А – источник волны; В – приемник
волны; предпочтительные направления (правила
приоритетов) – влево, вверх, вправо, вниз
В
Компьютерные технологии в приборостроении
93

94.

Основы математического обеспечения топологического проектирования ПС
Алгоритмы трассировки печатного монтажа
Пример распространения встречных волн
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 2
1
1 3
3 2
2 1
3 2
3
3
3
2
1
‘4’
1
2
4
1
3
2
1
2
3
5
2
1
3
2
3
1
6 7 8 9 10 11
2
3
1
7
6
6 8
6
1
7
6
8
7
8
6
7
6
8
7
6
7
8
6
8
7
6
6
‘9’
7
6
8
7
6
7
8
7
6
8
7
8
6
"4’ – источник; ’9’ – цель;
‘5’ – препятствие; волны:
от ‘4’ – 1, 2, 3, 1, 2, 3 ...
от ‘9’ – 6, 7, 8, 6, 7, 8 ...
Алгоритм метода:
1-й шаг. от ‘4’ 1 затем от ‘9’ 6;
2-й шаг. от ‘4’ после 1 2, затем от ’9’ после 6 7 и т. д.
Проведение трассы осуществляется в двух направлениях: от
места встречи к цели и к источнику.
Пример модифицированного
метода встречной волны
Первое расширение волны:
от источника ‘1’ и от цели ‘6’
от источника ‘2’ и от цели ‘7’.
Анализируется по 9 ячеек.
Второе расширение:
аналогично, только от источника ‘2’,
’3’, ’1’ и от цели ‘7’, ‘8’, ‘6’ и т. д.
1
1
2
3
4
5
6
7 2
8 1
9 3
10 2
11 3
12 1
13 2
2
3
4
5
6
7
8 9 10 11
6
8
7
8
6
1 3 1 2 3
3 2 3 1 2
2 1 2 3 1
1 4 1 2 3
2 1 2 3 1
3 2 3 1 2
1 3 1 2 3
8
7
6
7
8
7
6
9
6
7
8
7
6
6
8
6
8
7
8
6
Компьютерные технологии в приборостроении
94

95.

Концепция CALS технологий
Концептуальная модель CALS
Базовые CALS-принципы
Линейка CALS-стандартов
Маркетинг
Единое
информационное
пространство
Проектирование
Производство
Этапы
жизненного
цикла изделия
Продажи,
поставки
Эксплуатация
Линейка CALS-стандартов
Базовые технологии управления данными
Базовые технологии управления процессами
Компьютерные технологии в приборостроении
95

96.

Концепция CALS-технологий
Классификация данных
в связи со стадиями жизненного цикла продукции
Стадии жизненного цикла (ЖЦ)
Данные
Данные
о продукции
(изделии)
Данные
о процессах
в ходе ЖЦ
продукции
Данные
о среде,
в которой
происходят
стадии ЖЦ
Маркетинг
Проектирование
и разработка
продукции,
планирование
и разработка
процессов
закупки
Производство или
предоставление
услуг, упаковка
и хранение
Реализация
Установка и ввод
в эксплуатацию,
техническая помощь
и обслуживание,
эксплуатация,
утилизация
Данные, необходимые
для эксплуатации,
ремонта
и обслуживания
изделия, данные
о ходе эксплуатации
Маркетинговая
(концептуальная)
модель
продукции
Конструкторская
модель
продукции
Производственнотехнологическая
модель продукции
Сбытовая
модель
продукции
(цены,
условия
продаж и
пр.)
Модель
процессов
маркетинга
Модель
процессов
проектирования,
разработки,
планирования,
закупок и т. д.
Модель процессов
производства
Модель
процессов
продаж
Модель процессов
эксплуатации,
ремонта и
обслуживания
Модели рынка
и его сегментов
Модель
инженерноуправленческой
среды
Модель
производственнотехнологической
среды
Модель
среды сбыта
(продаж)
Модель
эксплуатационной
среды
Компьютерные технологии в приборостроении
96

97.

Концепция CALS-технологий
Этапы жизненного цикла промышленных изделий
и системы их автоматизации
Проектирование
Подготовка
производства
CAE
Производство
и реализация
SCM
CAD
PDM/PLM
CAM
Эксплуатация
SCADA
CNC
ERP
MRP-2
CRM
S&SM
MES
CPC
Утилизация
Компьютерные технологии в приборостроении
97

98.

Концепция CALS-технологий
Основные компоненты CALS
CAD – computer aided design (инструментальный комплекс технических
и программных средств автоматизированного проектирования изделий);
CAM
–
computer
aided
manufacturing
(системы
автоматизации
технологической подготовки производства);
CAE – computer aided engineering (системы инженерного анализа );
PDM – product data management (мощные средства хранения и управления
данными о проекте);
MRP – manufacturing requirement planning (системы управления
производством);
ERP – enterprise resource planning (системы планирования и управления
предприятием);
SCM – supply chain management (системы управления цепочками поставок);
CPC – collaborative product commerce (системы совместного электронного
бизнеса );
S&SM – sales and service management (системы управления продажами
и обслуживанием );
SCADA – system control and data acquisition (система телеметрии
и телеуправления);
CNC – computer numerical control (системы компьютерного управления);
CRM – customers relations management (управление взаимоотношений
с клиентами);
MES – manufacturing executing system (производственная исполнительная
система).
Компьютерные технологии в приборостроении
98

99.

Концепция CALS-технологий
Упрощенная схема функционирования виртуального предприятия
ВИРТУАЛЬНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
Рынок
Портфель
заказов
Учебно-научные
организации
Проектнопроизводственная
организация
Посреднические
организации
Поставщики и смежники
Ремонтные
организации
Готовая
продукция,
услуги
Компьютерные технологии в приборостроении
99

100.

Концепция CALS-технологий
Логическая структура базы данных на изделие
в соответствии с идеологией стандарта ISO 10303 STEP
Взаимозаменяемость
Структура категорий
Категории
Изделие
Значение
свойства
Тип
свойства
Конфигурация
изделия
Применимость
Редакция
документа
Структура
сборки
Утверждаемый
объект
Внешняя
идентификация
Утверждение
Отношение
изготовления
Сотрудник
Документ
Аппарат
ВЕРСИЯ
ИЗДЕЛИЯ
История
документа
Блокировка
Геометрия
Компьютерные технологии в приборостроении
100

101.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Методы описания
Descriptions methods
Part 1 (IS): Overview and fundamental principles
Общий обзор и основополагающие принципы
Part 11 (IS): EXPRESS language reference manual
Справочное руководство по языку EXPRESS
Part 12 (IS): The EXPRESS-I language reference manual
Справочное руководство по языку EXPRESS-I
Методы реализации
Implementation methods
Part 21 (IS): Clear text encoding of the exchange structure
Структура текстового обменного файла
Part 22 (IS): Standard data access interface specification
Спецификация
данным
Part 23 (IS): C++ language binding to the standard data
access interface
Привязка C++ к программному интерфейсу доступа к
данным
Part 24 (CD): C language binding to the standard data
access interface
Привязка C к программному интерфейсу доступа к
данным
Part 26 (WD): Interface definition language binding to the
standard data access interface
Язык описания программного интерфейса доступа к
данным
Conformance testing methodology and framework
Структура и методология проверки на совместимость
программного
интерфейса
доступа
Part 31 (IS): General concepts
Общие концепции
Part 32 (IS): Requirements on testing laboratories and
clients
Требования к испытательным лабораториям и клиентам
Part 34 (IS): Conformance testing methodology and
framework: Abstract test methods for application protocol
implementations
Методы тестирования
применения
Part
Абстрактные методы тестирования
программного интерфейса SDAI
35 (NWI): Abstract
implementations
test
methods
for
SDAI
для
реализаций
для
Компьютерные технологии в приборостроении
к
протоколов
реализаций
101

102.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Общие интегрированные ресурсы
Integrated generic resources
Part 41 (IS): Fundamentals of product description and
support
Принципы описания и поддержки продукта
Part 42 (IS): Geometric and topological representation
Геометрическое и топологическое представление
Part 43 (IS): Representation structures
Структуры представления
Part 44 (IS): Product structure configuration
Конфигурация структуры продукта
Part 45 (IS): Materials
Материалы
Part 46 (IS): Visual presentation
Визуальное представление
Part 47 (IS): Shape variation tolerances
Допуски на вариации форм
Part 49 (IS): Process structure and properties
Структура и свойства процесса
Интегрированные прикладные ресурсы
Integrated application resource
Part101 (IS): Draughting
Черчение
Part 104 (IS): Finite element analysis
Анализ методом конечных элементов
Part 105 (IS): Kinematics
Кинематика
Part 106 (WD): Building construction core model
Application Protocols
Базовая модель конструкции
Прикладные протоколы
Part 201 (IS): Explicit draughting
Прямое черчение
Part 202 (IS): Associative draughting
Ассоциативное черчение
Part 203 (IS): Configuration controlled design
Проектирование на основе заданной конфигурации
Part 204 (CD):
representation
Mechanical
design
using
boundary
Проектирование механической конструкции на основе
граничного представления
Компьютерные технологии в приборостроении
102

103.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Прикладные протоколы
Application Protocols
Part 205 (CD):
representation
Mechanical
design
using
surface
Проектирование механической конструкции на основе
поверхностного представления
Part 207 (IS): Sheet metal die planning and design
Проектирование штампов для листового металла
Part 208 (WD): Life cycle management – Change process
Управление жизненным циклом – изменение процесса
Part 209 (CD): Composite and metallic structural analysis
and related design
Структурный анализ и проектирование
металла и композиционных материалов
Part 210 (CD): Electronic assembly, interconnect and
packaging design
Проектирование межсхемных соединений и
электронных изделий
Part 212 (IS): Electrotechnical design and installation
Проектирование
устройств
Part 213 (DIS): Numerical control process plans for
machined parts
Программы ЧПУ для обработки деталей
Part 214 (IS): Core Data for Automotive Mechanical Design
Processes
Базовые данные для проектирования автомобилей
Part 215 (WD): Ship arrangement
Схемы судов
Part 216 (WD): Ship moulded forms
Формы фасонных поверхностей для судовых корпусов
Part 217 (CD): Ship piping
Судовые трубопроводы
Part 218 (CD): Ship structures
Судовые надстройки
Part 220: Process planning, manufacture, and assembly of
layered electronic products
Проектирование, производство и сборка многослойных
печатных плат
и
установка
изделий
из
упаковки
электротехнических
Компьютерные технологии в приборостроении
103

104.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Application Protocols
Прикладные протоколы
Part 221 (CD): Functional data and their schematic
representation for process plant
Функциональные
данные
и
их
схематическое
представление для технологических процессов
Part 222 (WD): Exchange of product data for composite
structures
Обмен данными
материалов
Part 223 (WD): Exchange of design and manufacturing
product information for casting parts
Обмен конструкторской и производственной информацией
по литым изделиям
Part 224 (IS): Mechanical product definition for process
plans using machining features
Описание механических изделий в технологических
процессах с использованием станочного оборудования
Part 225 (IS): Building elements using explicit shape
representation
Конструктивные
формы
Part 226 (WD): Ship mechanical systems
Судовые механические системы
Part 227 (IS): Plant spatial configuration
Пространственная конфигурация завода
Part 228: Building services: Heating, ventilation, and air
conditioning
Строительство:
отопление,
кондиционирование воздуха
Part 229: Exchange of design and manufacturing product
information for forged parts
Обмен конструкторской и производственной информацией
по кованым деталям
Part 230 (WD): Building structural frame: Steelwork
Строительные каркасы: стальные конструкции
Part 231 (CDC): Process engineering data: process design
and process specification of major equipment
Технологические данные: технологическое проектирование и
технологические спецификации основного оборудования
Part 232 (NWI): Technical data packaging core information
and exchange
Упаковка и обмен техническими данными
об
изделиях
элементы
с
из
явным
композиционных
представлением
вентиляция
Компьютерные технологии в приборостроении
и
104

105.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Набор абстрактных тестов
Abstract test suite
Part 301: Explicit draughting
Прямое черчение
Part 302 (WD): Associative draughting
Ассоциативное черчение
Part 303 (WD): Configuration controlled design
Проектирование на основе заданной конфигурации
Part 304 (IS): Mechanical design using boundary
representation
Проектирование механической конструкции на основе граничного
представления
Part 305: Mechanical
representation
Проектирование
механической
поверхностного представления
design
using
surface
конструкции
на
основе
Part 307 (IS): Sheet metal die planning and design
Проектирование штампов для листового металла
Part 308: Life cycle management – Change process
Управление жизненным циклом – изменение процесса
Part 309: Composite and
analysis and related design
structural
Структурный анализ и проектирование изделий из металла и
композиционных материалов
Part 310: Electronic assembly, interconnect, and
packaging design
Проектирование межсхемных соединений и упаковки электронных
изделий
Part 312: Electrotechnical design and installation
Проектирование и установка электротехнических устройств
Part 313: Numerical control process plans for
machined parts
Программы ЧПУ для обработки деталей
Part 314: Core data for automotive mechanical design
Базовые данные для проектирования автомобилей
Part 315: Ship arrangement
Схемы судов
Part 316: Ship moulded forms
Формы фасонных поверхностей для судовых корпусов
Part 317: Ship piping
Судовые трубопроводы
metallic
Компьютерные технологии в приборостроении
105

106.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Набор абстрактных тестов
Abstract test suite
Part 318: Ship structures
Судовые надстройки
Part 320: Process planning, manufacture, and
assembly of layered electronic products
Проектирование, производство и сборка многослойных печатных
плат
Part 321: Functional data and their schematic
representation for process plant
Функциональные данные и их схематическое представление для
технологических процессов
Part 322: Exchange of product data for composite
structures
Обмен данными об изделиях из композиционных материалов
Part 323: Exchange of design and manufacturing
product information for casting parts
Обмен конструкторской и производственной информацией по
литым изделиям
Part 324 (IS): Mechanical product definition for
process plans using machining features
Описание механических изделий в технологических процессах с
использованием станочного оборудования
Part 325: Building elements using explicit shape
representation
Конструктивные элементы с явным представлением формы
Part 326: Ship mechanical systems
Судовые механические системы
Part 327: Plant spatial configuration
Пространственная конфигурация завода
Part 328: Building services: Heating, ventilation,
and air conditioning
Строительство: отопление, вентиляция и кондиционирование
воздуха
Part 329: Exchange of design and manufacturing
product information for forged parts
Обмен конструкторской и производственной информацией по
кованым деталям
Part 330: Building structural frame: Steelwork
Строительные каркасы: стальные конструкции
Компьютерные технологии в приборостроении
106

107.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Abstract test suite
Набор абстрактных тестов
Part 331: Process engineering data: Process
design and process specification of major
equipment
Технологические данные: технологическое проектирование
и технологические спецификации основного оборудования
Part 332: Technical data
information and exchange
Упаковка и обмен техническими данными
packaging
core
Элементы, интерпретируемые прикладными средствами
Application interpreted construct
Part 501 (IS): Edge-based wireframe
Сетчатые конструкции, ограниченные плоскостями
Part 502 (IS): Shell-based wireframe
Сетчатые конструкции, ограненные поверхностями
Part 503 (IS): Geometrically bounded 2D wireframe
Геометрически ограниченные 2D-сетчатые поверхности
Part 504 (IS): Draughting annotation
Аннотирование чертежа
Part 505 (IS): Drawing structure and administration
Структура и реквизиты чертежей
Part 506 (IS): Draughting elements
Чертежные элементы
Part 507 (IS): Geometrically bounded surface
Геометрически заданные поверхности
Part 508 (IS): Non-manifold surface
Поверхности, описанные не в BREPS-форме
Part 509 (IS): Manifold surface
BREPS-поверхности
Part 510 (IS): Geometrically bounded wireframe
Геометрически ограниченные сетчатые поверхности
Компьютерные технологии в приборостроении
107

108.

Концепция CALS-технологий
Разделы и основы тома стандарта ISO 10303
Элементы, интерпретируемые
прикладными средствами
Application interpreted construct
Part 511 (IS): Topologically bounded surface
Топологически ограниченные сетчатые поверхности
Part 512 (IS): Faceted boundary representation
Многогранное граничное представление
Part 513 (IS): Elementary boundary representation
Элементарное граничное представление
Part 514 (IS): Advanced boundary representation
Сложное граничное представление
Part 515 (IS): Constructive solid geometry
Конструкторская твердотельная геометрия
Part 516 (CD): Mechanical design context
Контекст механического проектирования
Part
517 (IS): Mechanical
presentation
Part
518 (CD): Mechanical
representation
design
design
geometric
Геометрическое
проектировании
shaded
Штрихованное
проектировании
представление
представление
Part 519 (IS): Associative draughting elements
Элементы ассоциативного черчения
Part 520 (CD): Associative draughting elements
Элементы ассоциативного черчения
в
механическом
в
механическом
Примечание. Обозначения статуса документов: IS – International
Standard; DIS – Draft International Standar; CD – Committee Draft; CDC –
Committee Draft for Comments only – проект только для комментариев;
In DV – в разработке.
Компьютерные технологии в приборостроении
108

109.

Концепция CALS-технологий
Технико-экономический эффект от внедрения CALS-технологий
Методические основы CALS-идеологии:
международные стандарты;
интегрированная логическая поддержка;
электронный обмен данными;
многопользовательская (интегрированная) база данных
Процесс
проектирования
Процесс организации
поставок
комплектующих
элементов и изделий
Процесс
исследования
Процесс
эксплуатационной
поддержки изделия
Сокращение
Сокращение
Сокращение /рост
Сокращение
10–50 %
Стоимость технической документации
70 %
Время планирования эксплуатационной
поддержки
30 %
Время на изучение технической
документации
80 %
Показатели качества
15–60 %
Производственные затраты
Стоимость информации
70 % 15–60 %
Время планирования
40 %
Количество ошибок при передаче
данных
98 %
Время поиска и извлечения данных
Время на разработку технологии
производства
Затраты на изучение выполняемости
проекта
Время проектирования
50 % 30 % 15–40 %
Компьютерные технологии в приборостроении
109

110.

Концепция CALS-технологий
Этапы внедрения CALS-технологий на предприятии
Формирование
рабочей группы
Анализ существующих
бизнес-процессов
и информационного
обеспечения
Формирование концепции
информационной
интеграции и внедрения
PDM-системы
Реинжиниринг
бизнес- процессов
Выбор и приобретение
технических средств
Выбор и приобретение
PDM-системы
Разработка стандартов
предприятия
Интеграция PDM-системы
с существующими
и внедряемыми системами
Опытная эксплуатация
Наполнение PDM-системы
информацией о ранее
выполненных изделиях
Компьютерные технологии в приборостроении
110

111.

Концепция CALS-технологий
Создание ЕИП на основе PDM-системы
PDM-система
Стандартный интерфейс
взаимодействия
Прикладные
системы
Прикладные
системы
СТАДИИ
Маркетинг
Прикладные
системы
ЖИЗНЕННОГО
Проектирование
Производство
Прикладные
системы
ЦИКЛА
Поставка
Эксплуатация
Компьютерные технологии в приборостроении
111

112.

Основные характеристики стандартных программных средств
1
Учет
Область
взаимосвяз
применения
и
(особенфизических
ности)
процессов
Назначение
2
3
4
Конвертация
данных в
другие САПР
5
6
Режим
формирования моделей
физических
процессо
в
7
Наличие
интегрированной
среды и
среды
для связи
с другими
САПР
8
Среда функци-онирования
(плат-форма)
Название
программного
продукта
(название
фирмы
производителя
)
Графический
режим
OrCAD 9.1
9
Радиоэлектр
о-ника
(система
объединяет
все модули
преды-дущих
версий
OrCAD,
а
так-же
программы
PSpice,
Pspice
Optimizer,
вхо-дивших в
состав
Design-Lab)
Учет в параметрах электрических
моделей
компонентов
температуры
окружающей
среды, а также
паразитных
параметров печатного монтажа
Импорт /
экспорт в PCAD,
SPECCTRA;
программы
перекодировки
управляющих
файлов в
форматы
применяемых в
России,
фотополттеров
и сверлильных
станков с ЧПУ
2D
Компьютерные технологии в приборостроении
Общая интегрированная
оболочка
для
программ:
Or-CAD
Capture
(CIS), FPGA
Studio,
Pspise,
PSpise A/D,
Probe, Parts,
Optimizer,
Allegro
Studio,
OrCAD
Layout
112
Windows 95/NT (ПК c процессорами
Pentium)
OrCAD 9.1
(OrCad)
Система сквозного автоматизированного
проектирования
печатных
плат
(схемотехни-ческое
моделирование
аналоговых,
цифровых,
цифроаналоговых электронных схем, анализ
схем по постоянному току, в частотной
области,
во
временной
области,
спектральный анализ, анализ чувствительности,
многовариантный
статистический анализ по методу МонтеКарло, анализ на наихудший случай,
параметрическая оптими-зация схем,
синтез ПЛИС; разработка черте-жей
печатных плат, авторазмещение ЭРЭ,
трассировка печатного монтажа, анализ
целостности сигналов).
Автоматический при анализе
целостности сигналов
Моделирование электрических и электромагнитных процессов (САПР для схемотехнического проектирования)

113.

Основные характеристики стандартных программных средств
Protel 99SE
(Protel
International)
Система проектирования электронных
устройств
(схемотехническое
моделирование аналоговых, цифровых
и цифро-аналоговых электронных схем;
моделирование осуществляется по
стандарту SPACE; проектирование
устройств на базе современных ПЛИС;
создание чертежей печатных плат,
авторазмещение
ЭРЭ,
трассировка
печатных плат; анализ целостности
сигналов)
Радиоэлектр
о-ника
Учет в параметрах электрических
моделей
компонентов
температуры
окружающей
среды, а также паразитных
парамет-ров
печатно-го
монтажа
Экспорт
/
импорт данных
в
Auto-CAD,
импорт данных
из
Men-tor
Board
Station,
OrCAD, EEsoft,
SPISE, Tango,
OrCAD Layout
Автоматический при анализе
целостности сигналов
7
SystemVie
w
(ELANIX)
Интегрированный
пакет
для
моделирования динамических систем на
уровне функцио-нальных блоков (синтез
широкополосных систем связи и их
анализ в различной помеховой и
шумовой обстановке; проекти-рование
сверхбыстродействующих
цифро-вых
сигнальных
процессоров;
моделирование алгоритмов работы цифровых
адаптивных фильтров и т. п.)
Радиоэлектро
-ника
(телекоммуникационные системы)
Связь
на
уровне
сигналшум.
Импорт
/
экспорт с Xilinx
(программирование
ПЛИС), Matlab
8
9
Компьютерные технологии в приборостроении
Windows 95/98/ NT
(ПК c процессорами Pentium)
6
Windows 95/98/NT (ПК c
процес-сорами Pentium)
5
Полуавтоматический
2
Отсутствует
4
2D, 3D (просмотр
печатных плат)
1
Общая интегрированная оболочка для всех
программных единиц. Оболочка снабжается
CAM Manager (поддержка широкого набора
выходных файлов), а также мастером Winzard
(направление действий пользователя при
генерации выходных файлов)
3
2D
Protel 99SE, SystemView
113

114.

Основные характеристики стандартных программных средств
Microwave Office, Omega PLUS
Импорт файлов
из систем Spice
и MMICAD
2D
,
3D
Импорт
топологии
печатных
плат
из ACCEL EDA,
Учитывается SPECCTRA,
Mentor
Board
связь
Station,
OrCAD
электроPADS
магнитных ха- Layout,
Power,
PCB,
рактеристик с
Protel
и
т.
п.
Экспараметрами
порт
эквивконструкций
лентных
ЭС
электрических
схем
трёхмерных
струк-тур
в
SPICE
2D
,
3D
7
8
9
Общая
интегрированная оболочка для собственных программных единиц
Отсутствует
Компьютерные технологии в приборостроении
114
Windows 95/NT (ПК с
процессором Pentium)
6
Windows 95/NT (ПК с процес-сором Pentium)
Пакет
программ
для
анализа
целостности сигналов и моделирования
электромагни-тной
совместимости
проектов
схемно-конструктивных
реализаций ЭС (расчёт паразитных
эффектов,
интерференционных
сигналов
и
электромагнитного
излучения; идентификация наиболее
интенсивно излу-чающих сегментов
печатных
проводников;
анализ
статистических,
электрических
и
магнитных полей для плоских геометрических конструкций моделирование
электромагнитных полей
Учитываютс
я параметры
топологии
5
Автоматический
Электронное моделирование систем СВЧ
(моделирование линейных и нелинейных
схем; одночастотный и многочастотный
методы гармонического баланса; анализ на
основе рядов Вольтера; анализ смесителей;
высокоскоростные методы линейного и
шумового
анализов;
топологическое
проектирование микроэлектронных узлов и
печатных плат)
4
Автоматический
на основе метода конечных элементов
Omega PLUS
(Quantic EMC
Inc.)
3
Радиоэлектроника
Microwave Office
(AWR)
2
Радиоэлектроника (интегрируется
с другими программами)
1

115.

Основные характеристики стандартных программных средств
3
Система
для
сквозного
автоматизи-рованного проектирования
микросхем,
печатных
плат
и
радиоэлектронных систем
Схемотехническое
моделирование.
Моделирование
аналоговых схем по алгоритмам SPICE
и
OSR
(One
Step
Relaxation);
логическое
моделирование;
разработка
проектов
с
концептуального
уровня;
цифроаналоговое
моделирование;
оптимизация логики по различным
критериям. Моделирование систем
телекоммуникаций
Топологическое проектирование.
То-пологическое
проектирование
(авто-размещение
компонентов
и
трассировка пленочного и печатного
монтажа) микросхем, печатных плат
(ПП),
высоко-скоростных
ПП;
гибридных ПП; много-кристальных
сборок.
Планировка
крис-талла.
Трассировка проводного кабель-ного
монтажа. Расчет паразитных параметров и пр.
4
Учет
в
пара-метрах
электрических
мо-делей
компонентов
температуры окружающей среды, а также
па-разитных
пара-метров
печат-ного
монтажа
5
6
Импорт / экспорт
в Spice; экспорт в
обменный
2D,
формат
EDIF 3D
200; TDL, NDL,
ADL, GDLII, CIF и
др.
7
8
Общая
оболочка
проектировани
я;
общая
СУБД
проектировани
я;
поддержка
инже-нерных
решений
(комплект
моду-лей
Falcon
Framework)
Компьютерные технологии в приборостроении
9
115
Windows 95/NT
MENTOR GRAPHICS
(Mentor Graphics)
Комплект
модулей
для схемотехнического
мо-делирования: Idea
Stn. VHDL Architecture
Stn., Accu SimII Kernel;
Continuum Kernel; Accu
Parts;
Auto-LogicII,
AutoLogic VHDL, AutoLogic BLOCKs TELECOM SIM LIB и др.
Комплекты модулей
для
топологического
проектирования:
IC
Layout EX. Stn; Icblocks
Icextract;
Memory
Bilder; Micro Plan; Micro
ROUT; Datapath; GDT
Devel-oper;
Board
Designer Stn; Board
Dsnr High Speed Stn;
Board Stn; MCM Stn;
Hybrid
Stn;
AUTOROUTEshapl;
SMARTROUTERrs
и
др.
2
Радиоэлектроника
1
Полуавтоматический и автоматический
MENTOR GRAPHICS

116.

Основные характеристики стандартных программных средств
MENTOR GRAPHICS
Система
для
сквозного
автоматизирован-ного
проектирования
микросхем,
печатных
плат
и Радиоэлектрони
радиоэлектронных
систем.
Анализ ка
надежности электронных систем на
основе методов MIL-HDBK-217 и IEC56
6
7
2D,
3D
Совместное
(последовательное)
моделирование
аэродинамич
еских
и
тепловых
процессов
–
–
–
8
Общая
обо-лочка
проектирования;
общая
СУБД
проектиров
ания;
поддер-жка
инженерных решений (комплект
моду-лей
Falcon
Framework)
Общая
обо-лочка
проектирования;
общая
СУБД
проектиров
ания;
поддер-жка
инженерных
решен-ий
Компьютерные технологии в приборостроении
9
Windows 95/NT
5
Автоматический
Радиоэлектрони
ка (учитываются
неко-торые
особенности
аэрокосмических
ЭС
(учет
вырезов,
некоторых видов
си-ем
теплостоков,
возможное
отсут-ствие
конвекции)
4
Windows 95/NT
MENTOR
GRAPHICS
(Mentor Graphics)
Модуль
для
анализа
надежности
3
Полуавтоматический
2
Система
для
сквозного
автоматизирован-ного
проектирования
микросхем,
печатных
плат
и
радиоэлектронных систем
MENTOR
Моделирование
тепловых
GRAPHICS
процессов.
Моделирование
(Mentor Graphics)
стационарных
и
нестацио-нарных
Модули для модеаэродинамических и тепловых процессов
лирования
в блоках, печатных узлах и микротепловых
сборках. Процесс моделирования может
процессов:
осу-ществляться с конструкций высшего
AutoTherm,
Auto
уровня
иерархии
(шкаф,
блок)
с
Flow
переходом на кон-структивные узлы
более
низкого
уровня
иера-рхии
(печатные узлы, гибридно-интегральные
схемы, интегральные схемы)
Импорт /экспорт из/в
AutoTherm, Auto Flow
1
116

117.

Основные характеристики стандартных программных средств
BETA soft, COSMOS/M
Выполняет прочностные, тепловые,
гидроди-намические, электротехнические
и прочие расче-ты 1-, 2- и 3-мерных
конструкций. Виды анализа: линейный
статический анализ; линейный динамический
анализ;
углублённый
динамический
анализ;
нелинейный
статический анализ, анализ усталостной
прочности конструкций, анализ теплового
состояния; электромагнитный анализ;
анализ турбулентных течений жидкости.
оптимизация
конструкций;
гидродинамические расчёты
Космическое
машиностроение
, теплотехника,
гидродинамика,
электроника
(базируется
на
методе конечных
элементов)
5
6
Импорт
Совместно данных
е
из:
последова- PCAD,
тельное
Tango,
модеAlegro,
2D,
лирование
OrCAD,
3D
аэродинами Protel,
ческих
и Mentor,
тепло-вых
ACCEL,
процессов
Veri Best,
PADS
Связь
тепло-вых и
гидродинамическ
их
процессов
_
2D,
3D
7
8
9
Отсутствует
DOS, Windows 3.1/95/98/NT,
UNIX (ПК с процессорами
Pentium)
Моделирование
тепловых
и
аэродинами-ческих
процессов
в
радиоэлектронной
аппаратуре
(моделирование
стационарных
и
нестационарных
тепловых
и
аэродинамических процессов в блоках с
регулярной
структурой
(крейтах),
печатных узлах, интегральных схемах)
Радиоэлектро
ника (учет теплостоков, возможное
отсутствие
конвекции
для
космических ЭС;
учёт тепловыделений
в
печатных
проводниках
плат
автомобильных
ЭС)
4
Интеграци
я
через
интер-фейс
Design
преди
постпроцессоры
системой
AvtoCad
Windows 95 (рабочие станции IBM
RS/6000, SPARC-station 1, 2; VAX
station, DECstation; SUN 386i, 3, 4)
COSMOS/M
(Structural
Research
and
Analysis
Corporation)
3
Автоматический для всех
типов
BETA
soft
(Dynamic
Soft
Analysis Inc.)
2
Автоматический управляемый
генератор сеток
1
Компьютерные технологии в приборостроении
117

118.

Основные характеристики стандартных программных средств
АСОНИКА ANSYS
Универсальный
тяжелый
конечноэлементный
пакет
(статический
и
динами-ческий
анализ
с
учетом
геометрической
и физической нелинейности, анализ
усталос-тных
характеристик,
моделирование
элек-тромагнитных
полей, моделирование ста-ционарных и
нестационарных тепловых про-цессов,
анализ
гидрогазодинамики,
моделирование акустических процессов)
Радиоэлектрони
-ка (учитываются
особенности
аэрокосмических
ЭС /учет широкого спектра дестабилизирующи
х факторов при
анализе
точности,
стабильности и
безотказности/,
учет технологических
разбросов
Исследован
ие
деградацион
-ных
процессов с
учетом
тепловых,
механических,
электрических,
радиационных
и
др.
процессов
Машиностроени
е, теплотехника,
эле-ктроника,
гидро-механика,
элек-тротехника
и т. п.
Совместны
й
анализ
(прочность,
тепло-вые
процес-сы,
электромагнитные
процессы,
гидрогазод
инамические
характерис
тики)
на
уровне
единой
модели.
5
6
Импорт
/экс-порт
данных
в
проблемны
е
подсистемы
системы
«АСОНИКА 2D
»
(«АСОНИКАЭ»,
«АСОНИ-КАТ»,
«АСОНИКА-ТМ»,
«АСОНИКАД»)
Импорт/эк
спорт
с
программами
ADAMS,
Design
Space, LSDYNA,
COMET/Ac
oustics и т.
п.
2D,
3D
7
Компьютерные технологии в приборостроении
8
9
Объедин
е-на с
други-ми
проблемными
подсистем
ами
системы
«АСОНИКА»
единой
управляющей программой
Windows 95/NT
(ПК с процессором Pentium)
Подсистема
анализа
и
обеспечения
показателей надежности и качества (анализ
точности и стабильности /на основе методов
моментов и статистических испытаний,
а также квазидетерминированных функций,
описывающих зависимости параметров ЭРЭ
от различных дестабилизирующих факторов/,
анализ вероятности безотказной работы по
постепенным отказам, анализ показателей
надежности по внезапным отказам (используется библиотека функций распределения
/экспоненциальное распределение, распределение Вейбула – Гнеденко, DN-распределение и др./, идентификация моделей безотказности ЭРЭ, синтез допусков
4
Windows 95/98/NT
ANSYS
(Ansys Inc.)
3
Автоматический
«АСОНИКА»
(автоматизированн
ая
система
обеспечения
надежности
и качества
аппаратуры) //
подсистема
«АСОНИКА-К» подсистема
моделирования
деградационных
процессов
(МГИЭМ,
каф.
РТУиС)
2
Автоматический,
полуавтоматический (на основе
работы
с Макросами)
1
–
118

119.

Рекомендуемая литература по описанию стандартного программного обеспечения
1. Латышев, П. Н. Каталог САПР. Программы
и производители / П. Н. Латышев. – М. : СОЛОНПРЕСС, 2006. – 608 с. : ил. – (Системы
проектирования).
2. Левин Д. Энциклопедия PLM / Д. Левин,
В. Малюх, Д. Ушаков. – Новосибирск : ООО
Издательский дом «Азия», 2008. – 445 с.
Компьютерные технологии в приборостроении
119