Сущность и этапы проектирования РЭС

Сущность процесса проектирования РЭС заключается в разработке конструкций и технологических процессов произ­водства новых радиоэлектронных средств, которые должны с минимальными затратами и максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в требуемых условиях. Следует подчеркнуть, что в результате проектирования соз­даются новые, более совершенные РЭС, отличающиеся от своих аналогов и прототипов более высокой эффективностью за счет использования новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной базы и структуры, улучшенных конструкций и прогрессивных техно­логических процессов.

По степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи проектирования:

1. Частичная модернизация существующего РЭС (изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно небольшое (несколько десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для лучшего решения тех же или новых задач.

2. Существенная модернизация, которая предполагает зна­чительное улучшение (в несколько раз) показателей качества.

3. Создание новых РЭС, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства для резкого увели­чения (на несколько порядков) показателей качества при ре­шении тех же или существенно новых задач.

Проектирование является сложным многоэтапным процес­сом, в котором могут принимать участие большие коллективы специалистов, целые институты и научно-производственные объединения, а также организации заказчиков, которым пред­стоит эксплуатировать разработанную аппаратуру.

С точки зрения последовательности выполнения разли­чают основные стадии проектирования:

1. Предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения (аван-проект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследова­ниями. Они завершаются обычно созданием лабораторных ма­кетов.

2. Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями (натурным моделированием).

3. Техническое проектирование, при котором выполняется тщате­льная проработка всех схемных, конструкторских и технологи­ческих решений. На стадии технического проектирования соз­дается техническая документация на разрабатываемую аппа­ратуру и процессы ее производства. Итогом является технический проект, содержащий необходимую документа­цию и опытный образец изделий, прошедший всесторонние ис­пытания, в реальных условиях эксплуатации. Следует подчерк­нуть чрезвычайную важность и трудоемкость создания техни­ческой документации, на основе которой происходит в дальнейшем единичное, серийное или массовое производство РЭС.

С точки зрения содержания решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие этапы [5,8]:

1. Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения систе­мы. При этом формируется структура проектируемого объек­та, его составных частей, которыми обычно являются функ­ционально завершенные блоки, определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В резуль­тате формулируются частные технические задания на проек­тирование отдельных составных частей объекта.

2. Функциональное проектирование, применительно к РЭС называемое также схемотехническим, имеет целью аппаратурную реализацию составных частей системы (комплексов, устройств, узлов). При этом выбирают элементную базу, принципиаль­ные схемы и оптимизируют параметры (осуществляют структурный и параметрический синтез схем) с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства. При выборе элементной базы и синтезе схем стремятся учитывать конструкторско-технологические требования.

3. Конструирование, называемое также техническим проек­тированием, решает задачи компоновки и размещения элемен­тов и узлов, осуществления печатных и проводных соединений для РЭС всех уровней (модулей, ячеек, блоков, шкафов), а также задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. При этом стремятся оптимизи­ровать принимаемые решения по конструктивно-технологи­ческим, экономическим и эксплуатационным показателям.

На этом этапе проектирования разрабатывают техническую документацию, необходимую для изготовления и эксплуатации РЭС.

4. Технологическая подготовка производства обеспечивает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. На этом этапе проектирова­ния создается технологическая документация на основе пред­шествующих результатов.

Каждый этап проектирования сво­дится к формированию описаний проектируемого РЭС, относя­щихся к различным иерархическим уровням и аспектам его создания и работы. Этапы проектирования состоят из отдельных проектных процедур, которые заканчиваются частным проектным реше­нием. Типичными для проектирования РЭС процедурами являются анализ и синтез описаний различных уровней и ас­пектов.

Процедура синтеза заключается в создании проектного ре­шения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ог­раничениям. Например, широко используются при проектиро­вании РЭС процедуры синтеза электронных схем по их задан­ным характеристикам в частотной или временной области. При этом в процессе синтеза могут создаваться структура схемы (структурный синтез) либо определяться параметры элементов заданной схемы, обеспечивающие требуемые харак­теристики (параметрический синтез).

Процедура анализа состоит в определении свойств задан­ного (или выбранного) описания. Примерами такой процеду­ры могут служить расчет частотных или переходных характе­ристик электронных схем, определение реакции схемы на за­данное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность. Процедуры синтеза и анализа в процессе проектирования тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному крите­рию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилуч­шего приближения частотных характеристик к заданным. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. В сущности, оптимизация обеспечивает создание (синтез) проектного решения, но включает поэтапную оценку характеристик (анализ).

Проектные процедуры состоят из отдельных проектных операций. Например, в процессе анализа математических мо­делей РЭС приходится решать дифференциальные и алгебраи­ческие уравнения, осуществлять операции с матрицами и т.п. Такие операции могут иметь обособленный характер, но в це­лом они образуют единую проектную процедуру.

Проектные процедуры и операции выполняются в опреде­ленной последовательности, называемой маршрутом проекти­рования.

Маршруты проектирования могут начинаться с нижних ие­рархических уровней описаний (восходящее проектирование) либо с верхних (нисходящее проектирование).

Следует особо подчеркнуть, что между всеми этапами проекти­рования существует глубокая связь и взаимосвязь. Так, опреде­ление окончательной конструкции и разработка всей техничес­кой документации часто не могут быть выполнены до оконча­ния разработки технологии. В процессе конструирования и разработки технологии может потребоваться коррекция прин­ципиальных схем, структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т.е. процесс носит итерационный характер.

В процессе проектирования необходимо не просто создать аппаратуру, которая будет обеспечивать заданное функциони­рование, но и оптимизировать ее по широкому спектру функ­циональных, конструкторско-технологических, эксплуатацион­ных и экономических показателей. На отдельных этапах для отдельных частных задач оптимизацию можно осуществить на основе разработанных формальных математических методов. Однако применительно к комплексным РЭС задача оптимиза­ции часто не поддается формализации. Встречаясь с такой си­туацией, разработчики обычно рассматривают несколько вариантов решения поставленной задачи, подсказанных, как правило, предшествующим коллективным опытом, интуицией, и выбирают лучший из них. Такой подход называется эврис­тическим многовариантным анализом. Однако в связи со все возрастающей сложностью РЭС, с повышением требований к ним необходимые расчеты оказываются все более трудоемки­ми, а количество вариантов, целесообразных для рассмотре­ния, катастрофически возрастает. Эта ситуация получила наз­вание «стирания альтернатив». Часто на этапе проектирования трудно предвидеть некоторые требования, вытекающие из ус­ловий эксплуатации. В результате всего этого создание нового РЭС затягивалось на долгие годы. Представляемые к испыта­ниям опытные образцы часто оказывались не удовлетворяю­щими заданным требованиям, а доводка аппаратуры происхо­дила в процессе испытаний, что удорожало проектирование во много раз.

Подобное положение не было виной разработчиков. Это результат возникшего принципиального несоответствия тради­ционного подхода к проектированию и сложности современных радиоэлектронных средств. Указанное противоречие и вызвало интенсивное развитие новой технологии проектирования РЭС, базирующейся на системном подходе и совершенствовании процессов проектирования с применением математических ме­тодов и средств вычислительной техники, комплексной автома­тизации трудоемких и рутинных проектных работ, замены ма­кетирования и натурного моделирования математическим моделированием, использованием эффективных методов многовариантного проектирования и оптимизации, а также повыше­нием качества управления проектированием.

Системный подход позволяет найти оптимальное, в ши­роком смысле, решение задачи проектирования за счет всесто­роннего, целостного рассмотрения как проектируемого изде­лия, так и самого процесса проектирования и способен приве­сти к подлинно творческим новаторским решениям, включая крупные изобретения и научные открытия.

Главным средством автоматизации проектирования являют­ся ЭВМ и управляемые ими другие технические средства, ко­торые создают необходимую основу для полной реализации потенциальных возможностей системного подхода.