10 Проектирование усилителя мощности на птш

Методика проектирования усилителя мощности на ПТШ включает в себя следующие расчетноэкспериментальные этапы:

0.    Исходя из требований технического задания на выходную мощность Рвых, коэффициент усиления К_р, КПД и рабочего интервала частот выбирается функциональная схема усилителя определяется число каскадов типы ПТШ.

1.    Для каждого типа ПТШ выбирается несколько (N) режимов питания и для этих режимов в рабочем интервале частот измеряются малосигнальные S

—    параметры транзистора.

2.    Для каждого режима питания рассчитываются элементы малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ, при которых сумма квадратов модулей разностей измеренных и рассчитанных S параметров достигает минимальной величины.

3.    По рассчитанным элементам малосигнальной схемы для выбранных режимов питания ПТШ определяются параметры нелинейной модели ПТШ, например модели Materka [4, 5], включенной в программу SERENADE.

4.    С помощью программы SERENADE проводятся схемотехническое и топологическое проектирование усилителя мощности и расчет его частотных и энергетических характеристик.

11 Общая характеристика малошумящих усилителей

При приёме и измерениях слабых СВЧ сигналов необходимы усилители с низким коэффициентом шума или малошумящие усилители (МШУ). В настоящее время не существует точного разграничения усилителей на малошумящие и обычные. Ориентировочно, малошумящими считаются усилители, коэффициент шума которых не превышает 3 дБ, что соответствует температура шума, равной 300 К, т. е. температуре окружающей среды. Более точно, малошумящим называ- ют усилитель, коэффициент шума которого ненамного превосходит значения ко- эффициента шума наилучших (с точки зрения шумовых параметров) серийно вы- 10 пускаемых усилителей того же частотного диапазона. Эти значения увеличивают- ся с ростом частоты и относительной ширины диапазона рабочих частот. По уровню техники 2000 г. для усилителей с шириной диапазона рабочих частот 10 – 20 % лучшие результаты по коэффициенту шума составляют от 0,3 дБ на частотах порядка 1 ГГц до 4-5 дБ − на 40 ГГц. Следует заметить, что лучшие экспериментальные макеты усилителей, созданные в лабораторных условиях, имеют значительно меньший коэффициент шума − 2 дБ в диапазоне 43-46 ГГц и 4.4 дБ − в диапазоне 92-96 ГГц[8]. Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой, большой надеж- ностью и устойчивостью к механическим воздействиям, сравнительно невысокой стоимостью. Активные элементы усилителей − биполярные (БТ) или полевые транзисторы с затвором на барьере Шоттки (ПТШ) − удобно сопрягаются с по- лосковыми линиями передачи, резонансными устройствами и элементами инте- гральных микросхем. Малошумящие усилители СВЧ, в основном, строятся на ПТШ, которые имеют меньший коэффициент шума, чем БT. Важнейшим параметром малошумящего усилителя является коэффициент шума (или относительная температура шума устройства). Вместе с тем, коэффи- циент усиления малошумящего усилителя должен быть достаточным из-за влия- ния последующих каскадов и оконечного устройства, в отличие от усилителя мощности, предназначенного для работы с сигналами, уровень которых значи- тельно превышающими уровень шума. Малошумящие усилители с широким ди- намическим диапазоном должны сочетать в себе требования по шумам и линей- ности в большом диапазоне изменения сигнала В основе изготовления СВЧ усилителей на ПТШ лежит, как правило, гиб- ридно-пленочная технология. Усилители, изготовленные по этой технологии, со- держат элементы на изолирующих подложках, выполненные методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией и навесные дискретные активные и пассивные элементы, монтаж которых производится с помощью пайки и специ- альных видов сварки − контактной, термокомпрессионной и ультразвуковой. Мо- нолитные усилители выполяются на основе единого кристалла с различной степе- нью легирования. Они обладают рядом несомненных достоинств по сравнению с гибридно-пленочными – малые массогабаритные параметры, низкая стоимость при крупносерийном производстве, высокая повторяемость параметров. Тем не менее, далеко не везде и всегда преимущества этих усилителей компенсируют их недостатки. Усилители на основе объемных линий передач также имеют свои преимущества (малые потери) и свои недостатки (сложность конструкции).

Автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры / Habr

В популярной форме освещаются вопросы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на конструкциях печатных плат, основные этапы становления и эволюции систем автоматизированного проектирования (САПР) РЭА, содержание задач автоматизации, организация сквозного цикла выполнения проектных работ с использованием средств автоматизации.

Целью публикации является ознакомление инженерно-технических работников с одним из бурно развивающихся направлений в современной индустрии информационных технологий.

Предисловие

Автоматизация проектной и расчетной деятельности в инженерной практике имеет длительную и достаточно насыщенную историю. Обращаясь к относительно недалекому прошлому достаточно вспомнить счеты, механические арифмометры и логарифмические линейки. Несколько позже в расчетную практику вошли электронные калькуляторы, которые и до настоящего времени имеют широкое применение. Все эти устройства нацелены на облегчение выполнения разнообразных расчетов, значительная доля которых приходится на проектную деятельность инженеров.

Существенным шагом в направлении автоматизации расчетной деятельности стало появление электронных вычислительных машин (ЭВМ), возможности которых позволили не только выполнять расчеты, но и управлять потоками необходимых вычислений и данных путем составления программ на специализированных языках программирования: Автокод (или Ассемблер), Алгол, Фортран и других. Программирование в корне изменило применимость наработанных в течение столетий математических методов алгебры, геометрии, численных методов, теории вероятностей, исследования операций, дискретной математики, линейного программирования и многих других. Повышение производительности ЭВМ (быстродействия и размеров оперативной памяти) с одновременным расширением спектра периферийных устройств: ввода-вывода текстовых и графических данных, накопителей для долговременного хранения информации, а также интенсивным развитием операционных систем, компиляторов языков программирования оказали существенное влияние на изменение роли ЭВМ в инженерной практике. Решение отдельных расчетных задач стало постепенно заменяться выполнением законченных этапов проектного цикла, что породило понятие системы автоматизированного проектирования в соответствии со следующим определением.

Система автоматизированного проектирования – автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.

Основное назначение САПР заключается в повышении эффективности инженерной деятельности: сокращении трудоемкости и сроков проектирования, обеспечении высокого качества проектных решений и документации, минимизации натурного моделирования и испытаний опытных образцов, снижении затрат на подготовку производства.

В современной инженерной практике наибольшее распространение получили следующие виды САПР:

Содержание настоящей публикации ограничивается только вопросами, связанными с предметной областью САПР радиоэлектронной аппаратуры на печатных платах.
В 1948—1950 годах Уильям Шокли создал теорию p-n- перехода и плоскостного транзистора и первый такой транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года. В 1954 году Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. Планарный процесс на основе кремния стал основной технологией производства транзисторов и интегральных схем.

За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн разделили Нобелевскую премию 1956 года. Становление и развитие технологии промышленного производства полупроводниковых приборов определило долгосрочную и стабильную тенденцию роста степени интеграции электронных компонентов, переход на полупроводниковую элементную базу существенно расширил области применения электронных устройств при драматическом увеличении их степени интеграции и, как следствие, функциональной сложности.

Расширению спектра применимости электронных устройств также содействовал и прогресс в технологии производства печатных плат, которые обладают высокими показателями надежности электрических соединений и механической прочностью, что является первоочередным требованием к мобильным и стационарным электронным изделиям.

«Днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда изобретатель, немецкий инженер Альберт Паркер Хансен подал заявку в патентное ведомство родной страны.

Печатная плата Хансена представляла собой штамповку или вырезание изображения на бронзовой (или медной) фольге. Получившийся проводящий слой наклеивался на диэлектрик – бумагу, пропитанную парафином. Уже тогда заботясь о большей плотности размещения проводников, Хансен наклеивал фольгу с двух сторон, создавая двустороннюю печатную плату. Изобретатель также использовал идущие насквозь печатной платы соединительные отверстия. В работах Хансена есть описания создания проводников при помощи гальваники или проводящих чернил, представляющих собой измельченный в порошок металл в смеси с клеящим носителем.

Печатная плата (printed circuit board, PCB) — пластина из диэлектрика, на поверхности или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Эти тенденции в развитии схемотехники и конструирования РЭА потребовали кардинальных изменений в подходах к организации процессов создания электронных изделий высокой функциональной и конструкторской сложности, что стимулировало появление промышленных систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

На первых этапах становления САПР РЭА основными заказчиками стали предприятия — создатели сложных вычислительных комплексов, генеральные конструкторы которых стали организовывать специализированные подразделения САПР в структуре своих конструкторских бюро.

Создание САПР РЭА требовало привлечения эффективных математических методов и алгоритмов решения ключевых задач структурного и параметрического синтеза проектируемых устройств. К разработке соответствующего математического аппарата привлекались научные сотрудники ведущих ВУЗов: МГУ, ЛГУ, МФТИ, МИФИ, МЭИ, МВТУ, МИРЭА, МАИ, ЛЭТИ и многих других, а также политехнических институтов городов: Каунас, Киев, Львов, Минск. В целях интеграции ресурсов и координации деятельности по разработке САПР РЭА в Министерстве Радиопромышленности СССР выполнялись отраслевые программы РАПИРА и ПРАМ, нацеленные на создание информационно-совместимых пакетов программ автоматизированного проектирования.

Значительный вклад в теорию и практику САПР РЭА в частности внесли следующие ученые:

Абрайтис Людвикас Блажевич
Базилевич Роман Петрович
Вермишев Юрий Христофорович
Зайцева Жанна Николаевна
Маркаров Юрий Карпович
Матюхин Николай Яковлевич
Норенков Игорь Петрович
Петренко Анатолий Иванович
Рябов Геннадий Георгиевич
Рябов Леонид Павлович
Селютин Виктор Абрамович
Тетельбаум Александр Яковлевич
Широ Геннадий Эдуардович
Штейн Марк Елиозарович
и многие другие.

Структура и основные этапы проектирования РЭА

Современная электронная аппаратура реализуется на уровнях конструкторской иерархии, показанной на рисунке ниже. Для всех уровней иерархии используются соответствующие средства автоматизированного проектирования такие как САПР БИС/СБИС, печатных плат, блоков и шкафов.

Далее ограничимся вопросами автоматизированного проектирования типовых элементов замены (Уровень I). Полный цикл проектирования электронных устройств уровня I включает следующие основные этапы:

• Разработка схемы электрической принципиальной (Э3) электронного устройства.
• Цифроаналоговое моделирование схемы устройства.
• Размещение (расстановка) электронных компонентов и внешних соединительных разъемов на печатной плате. Оптимизация плана размещения компонентов с целью минимизации длин предполагаемых электрических соединений, обеспечения равномерного теплового рассеивания, создания приемлемой электромагнитной среды для передачи сигналов без искажений.
• Прокладка (трассировка) электрических соединений между эквипотенциальными выводами размещенных компонентов в соответствии с заданными правилами проектирования, регламентирующими ширину соединений, минимально допустимые зазоры с другими элементами печатного монтажа, обеспечения требований быстродействия и помехозащищенности.
• Контроль соответствия структуры печатного монтажа исходной электрической схеме и технологическим ограничениям производства.
• Выпуск конструкторской и производственной документации.
• Контроль целостности проектных данных, отслеживание внесенных изменений, обмен проектной информацией с другими автоматизированными системами.

Разработка схемы электрической принципиальной (Э3)

Схема электрическая — графическое изображение, используемое для передачи с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений структуры электронного устройства. Включает условные графические обозначения (УГО) электронных компонентов и связей между их выводами.

Принципиальная схема может быть представлена на одном и более чертежных листов, при этом схема не регламентирует взаимное (физическое) расположения электронных компонентов. Всем компонентам на схеме и соединениям присваиваются уникальные идентификаторы (номер компонента по схеме, имя цепи и пр.). Для повышения читабельности схемы используются компактные графические объекты – шины и соединители.

Разработка электрических схем выполняется с использованием предварительно подготовленных и аттестованных на соответствие требованиям ГОСТ библиотек условных графических обозначений электронных компонентов.

Логическое моделирование цифровых устройств

Логическое моделирование – один из распространенных способов проверки поведенческих и функциональных свойств проектируемых цифровых устройств и нацелено на сокращение затрат, связанных с созданием и испытаниями опытных образцов. Структура цифрового устройства для моделирования описывается на одном из распространенных языков описания электронной аппаратуры – VHDL и (или) Verilog, а значения сигналов в соединениях и динамика их изменений во времени отображаются в виде графических временных диаграмм.
Современные программные средства поддерживают режимы логического моделирования асинхронных и синхронных цифровых устройств в многозначном алфавите возможных значений сигналов. Допускается моделирование и анализ совместной работы аппаратной части цифрового устройства и программного обеспечения (прошивки) в составе этого устройства, что обеспечивает целостность и полноту результатов моделирования.

Моделирование аналоговых устройств

Моделирования аналоговых устройств позволяет проводить анализ рабочих режимов и осуществлять оценку параметров схемы без изготовления ее макетных образцов.
В настоящее время широко распространены следующие виды моделирования аналоговых устройств:

• Анализ схемы по постоянному и переменному току
• Анализ переходных процессов и передаточной функции
• Анализ шумов и устойчивости
• Температурный анализ при изменении рабочей температуры
• Параметрический анализ при изменении параметров моделей электронных компонентов (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, функциональные источники и др.)

Размещение электронных компонентов

Размещение (расстановка) электронных компонентов и соединительных разъемов на печатной плате является комплексной задачей, при решении которой требуется достижение компромиссов по следующим основным критериям:

• Расстановка компонентов с соблюдением установленных правил на минимально допустимые расстояния между их корпусами и выводами.
• Минимизация суммарной длины планируемых к реализации соединений с учетом требований по быстродействию и помехозащищенности (дифференциальные пары, функционально связанные группы, цепи синхронизации).
• Обеспечение равномерного распределения плотности соединений на печатной плате.
• Учет теплового рассеивания и электромагнитного излучения электронных компонентов.

Для оценки качества размещения электронных компонентов на печатной плате используются в частности оценки, связанные с анализом плотности распределения требуемых соединений или модель “силовых векторов”, указывающих для каждого компонента направление к его наилучшему посадочному месту на плате.

Трассировка электрических соединений

Трассировка соединений является ключевым этапом конструкторского проектирования радиоэлектронной аппаратуры, решает задачу прокладки соединений на слоях печатной платы между эквипотенциальными выводами компонентов с учётом заданных правил и ограничений, основными среди которых являются ограничения на ширину проводников и минимально допустимые зазоры между элементами печатного монтажа. Показателями эффективности применяемых методов трассировки являются полнота реализации электрической схемы, минимальная суммарная длина построенных соединений, количество использованных слоев и межслойных переходов.

В настоящее время на практике достаточно широко применяются следующие три способа (режима) трассировки печатного монтажа:

1. Ручная трассировка выполняется конструктором путем нанесения рисунка проводников на чертёж платы.
2. Автоматическая трассировка реализуется специализированными программами, осуществляющими послойную разводку проводников. Полученные результаты доступны конструкторам для последующей ручной корректировки и доработок.
3. Интерактивная трассировка является комбинацией ручного и автоматического режимов трассировки. В этом случае конструктор задает условия для трассировки всех или части требуемых соединений, а программные средства осуществляют операции трассировки в заданных условиях.

Принимая во внимание факт, что результаты автоматической трассировки являются весьма критичными при автоматизированном проектировании ниже приводятся описания (в достаточно общей форме) распространенных алгоритмов решения этой задачи.

Волновой алгоритм автоматической трассировки

Впервые описание волнового алгоритма трассировки соединений на печатных платах было опубликовано в начале 60-х годов (Lee, C.Y., «An Algorithm for Path Connections and Its Applications», IRE Transactions on Electronic Computers, vol. EC-10, number 2, pp. 364—365, 1961). Простота этого алгоритма явилась стимулом для реализации множества соответствующих программных средств.

На каждой итерации алгоритм выполняет поиск и формирование соединения заданной ширины между двумя заданными точками на плоскости с учетом существующих препятствий. Для выполнения этих функций используется так называемое дискретное рабочее поле (ДРП) – двумерная числовая матрица, ячейки которой отображают соответствующие участки печатной платы с размерами равными ширине проводника, увеличенной на величину допустимого зазора. Это гарантирует, что два проводника, размещенные в соседних ячейках будут всегда иметь требуемый зазор между их краями. Ячейки ДРП, запрещенные для прокладки соединений, помечаются специальными метками.

Поиск соединения выполняется последовательным назначением числовых меток 1-2-3… соседним (не запрещенным для прокладки соединения) ячейкам ДРП, начиная с одной из соединяемых (“И”) и до встречи второй (“П”). В том случае, когда вторая соединяемая ячейка достигнута, от нее начинается формирование найденного соединения на основе последовательного выбора пар соседних ячеек в кодовой последовательности …3-2-1-3-2-1…

Построенное соединение отображается на ДРП новым множеством запрещенных для прокладки соединений ячеек и затем описанная процедура повторяется для последующей пары точек и т.д.

Методы геометрической трассировки

Методы геометрической (shape-based) трассировки составляют следующее за волновым поколение алгоритмов трассировки печатных плат и больших интегральных схем.

Эти методы оперируют геометрическими моделями объектов печатного монтажа (контактов, проводников и т.п.), осуществляя поиск и прокладку соединений в существующем лабиринте свободных ресурсов.

Алгоритмы этого класса решают задачу прокладки каждого соединения также в два этапа: поиск возможного соединения и его прокладка.

Поиск соединения выполняется последовательным распространением прямоугольных проб (“И” – исходная проба) по непрерывным участкам доступных трассировочных ресурсов — до встречи геометрического объекта “П” (или исчерпания всех ресурсов). Каждая сформированная проба является источником для формирования трех порожденных проб по ее ребрам (e_N).

Найденный путь определяется как последовательность пар порождающих и порожденных проб
(П e₁₈ e₁₆ e₁₄ e₁₂ e₁₀ e₈ e₂И)

Методы топологической трассировки

Методы топологической трассировки оперируют с топологической моделью трассировочных ресурсов, сформированной в результате применения операций триангуляции (или подобных на основе выпуклых многоугольных геометрических фигур) к множеству характерных точек элементов печатного монтажа: контактов, проводников, зон запретов на трассировку, контура платы и т.п.

Поиск соединения выполняется последовательным анализом смежных треугольников топологической модели, начиная с тех, одной из вершин у которых является “И” и завершая первым встреченным треугольником, у которого одна из вершин есть “П”.
Найденный путь определяется последовательностью ребер смежных треугольников, расположенных между начальной и конечной вершинами:
(П e₁₂ e₁₁ e₁₀ e₉ e₈ e₇ e₆ e₅ e₄ e₃ e₂ e₁И).

Представленные описания алгоритмов трассировки носят упрощенный характер и выполнены применительно лишь к простейшим однослойным структурам. На практике программные реализации этих алгоритмов обеспечивают возможности трассировки многослойных печатных плат с использованием межслойных металлизированных переходов, соблюдением широкого спектра ограничений на ширину проводников и минимально – допустимые зазоры между всеми элементами печатного монтажа.

Широкое применение электронных устройств в приборостроении, компьютерной индустрии, аэрокосмической отрасли, бытовой технике предъявляет все более жесткие требования к качеству и электрофизическим свойствам печатного монтажа, формируемого в процессе трассировки соединений на плате.

На сегодняшний день все более критичными становятся следующие дополнительные требования к методам трассировки:

• Реализация высокой плотности соединений.
• Обеспечение высокого быстродействия и синхронизации при передаче сигналов.
• Гарантии помехозащищенности сигналов в соединениях.

Документация на проекты электронных устройств

Завершающим этапом проектирования электронных устройств является выпуск проектной документации, включающий конструкторскую документацию и данные для изготовления печатных плат.

Конструкторская документация (КД) — графические и текстовые документы, которые, определяют состав и устройство изделия, содержат необходимые данные для его изготовления, контроля, эксплуатации. Включают спецификацию, электрическую схему, сборочный чертеж платы, перечень элементов, ведомость покупных изделий, технические условия, программу и методику испытаний и другие в соответствии с требованиями ГОСТ.

Данные на изготовление печатных плат формируются программным способом и содержат информацию, необходимую для изготовления фотошаблонов и сверления.

Форматы представления этих данных унифицированы (Gerber, ODB++) и являются стандартами de facto при передаче результатов изготовителю.

Сквозной цикл автоматизированного проектирования РЭА

С позиций пользователей (то есть разработчиков электронной аппаратуры) САПР РЭА являются программным продуктом, потребительские свойства которого оцениваются по следующим основным критериям:

• Поддержка сквозного цикла проектирования РЭА средствами автоматизации.
• Функциональные возможности отдельных подсистем (моделирования, трассировки соединений и др.).
• Открытость системы для ее интеграции с другими средствами автоматизации в той же или смежных предметных областях.
• Качественная и детальная пользовательская документация.
• Техническая поддержка пользователей со стороны компаний — разработчиков программного продукта.

В этом ряду требований первостепенным, как правило, является требование возможности построения сквозного цикла проектирования – от выдачи технического задания на проект и до получения конструкторской документации и данных для изготовления изделия.
Содержание сквозного цикла определяется набором проектных этапов, последовательно выполняемых на основе единой информационной модели проекта.

Такой подход обеспечивает совместимость проектных данных и возможности итеративного проектирования изделия, то есть возобновления проектных работ с начального или одного из промежуточных этапов при изменениях проектных спецификаций.

Примером САПР РЭА отечественной разработки, обеспечивающей автоматизацию основных этапов проектирования электронных устройств, является программный продукт Delta Design компании ЭРЕМЕКС:

Во многих случаях компании – разработчики электронной аппаратуры организуют сквозные циклы проектирования на основе интеграции информационно – совместимых САПР РЭА от разных производителей, современный рынок которых достаточно разнообразен.

Завершая рассмотрение вопросов, связанных с автоматизацией проектирования электронной аппаратуры, необходимо отметить, что эта сфера деятельности в настоящее время продолжает достаточно интенсивно развиваться. В ближайшей перспективе следует ожидать появления новых методов и подходов к решению задач автоматизированного проектирования.

определения, задачи, аспекты, уровни и этапы проектирования. Восходящий и нисходящий порядок проектирования.

Проектирование – процесс создания описания нового или модернизируемого изделия (процесса), достаточных для изготовления и дальнейшей эксплуатации этого объекта в заданных условиях. Такое описание представляет собой комплект конструкторской и технологической документации в виде схем, чертежей, спецификаций, текстовых документов, программ для программно-управляемого оборудования и т. п.

Проектирование заключается в выполнении комплекса работ исследовательского, расчетного, конструкторского характера, имеющих целью преобразования исходного описания (техническое задание) в окончательные описания (техдокументацию) и выполняется системой проектирования.

Функционирование системы проектирования представляется в виде процессов. Процесс – это динамический объект, реализующий целенаправленную деятельность по разработке изделия и управлению совместной работой коллектива разработчиков, организации работы в САПР и т.п.

Процесс проектирования состоит из стадий (этапов) и проектных процедур. Проектная процедура – часть процесса проектирования, заканчивающаяся получениемпроектного решения.Примерами проектных процедур служат структурный синтез, анализ и верификация схемы, компоновка изделия, выпуск рабочего чертежа и т. д. Составными частями проектной процедуры являютсяпроектные операции.

Проектное решение – описание или оценка проектируемого объекта или его составной части, достаточные для рассмотрения и принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

Стадии проектирования –наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени. По ЕСКД выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического (рабочего проектов), изготовления и испытаний опытных образцов. Отдельная стадия – выпуск рабочей документации. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения (аванпроекта).

Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием является понятие этапа проектирования.

Стадии (этапы) проектирования составляются из частей, называемых, как указано выше, проектными процедурами.Отсюда проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур –маршрута проектирования.

В США разработку ТЗ на проектирование называют внешнимпроектированием, реализацию ТЗ –внутреннимпроектированием.

Аспекты, иерархические уровни и задачи проектирования.Стадии установлены стандартами ЕСКД (ГОСТ 2.103-68) полностью характеризуют весь процесс проектирования. В свою очередь, каждая стадия может разбиваться на этапы. Этап – это условно выделенная часть проектирования, выполняемая в заданном объеме и в заданные сроки.

Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичные аспекты: функциональный, конструкторский и технологический. Функциональный аспект отражает работоспособность изделия, т. е. физические и (или) информационные процессы, протекающие в изделии при выполнении заданной работы. Конструкторский аспект характеризует схемную и геометрическую компоновку, т. е. состав, форму, расположение в пространстве и размеры всего изделия и его частей (деталей и сборочных единиц), а также материалы конструкции. Технологический аспект определяет технологичность конструкции – возможности изготовления изделия в заданных условиях. Иногда описание разделяют на большее число аспектов.

Представление изделия внутри каждого аспекта задают уровни: горизонтальный, вертикальный, представления и абстрагирования. Горизонтальный уровень отражает блочно-иерархический (функционально-узловой) подход к проектированию и определяет степень подробности описания (рис.2.2). Вертикальный уровень определяется по характеру учитываемых свойств объекта. Каждый вертикальный уровень отличается средствами и видами описания изделия и его составных частей. Уровень представления задается языком представления знаний и их объемом. Различают реляционные, ассоциативные, логические, ролевые, графические, геометрические и другие языки.

В реляционных языках структурными единицами являются отношения.Полное описание объекта можно представить как семантическую сеть. Ассоциации устанавливают связи между объектами, при которых актуализация (восприятие, представление) одного из них влечет за собой появление одного или нескольких других со всеми их атрибутами.

В логических языках структурные единицы – логические формулы (высказывания). Пример – исчисление предикатов первого порядка, в котором переменные, константы, предикатные и системные символы связываются в формулы с помощью логических операций, кванторов существования и общности.

В ролевых языках структурные единицы – фреймы и слоты. Фрейм представляет собой логическую запись,каждому полю которой соответствует свое характерное смысловое содержание. Поля фрейма называются слотами и могут быть связаны известными отношениями, реализованными в виде процедур.

Графические языки – это языки черчения. Причем грамматикой черчения является начертательная геометрия. В настоящее время, в САПР – теория компьютерной графики. Следующий по важности язык конструирования – геометрический – служит для описания и представления геометрических моделей изделия в соответствии с размерностью пространства на основе базовых наборов геометрических элементов (образов) путем преобразования и формирования их средствами вычислительной геометрии.

Рассмотрим еще два уровня. Уровень представления отражает степень знания и понимания проблемы самим разработчиком. Английский инженер по радиолокации Уатсон Уатт писал: “Идеального решения не бывает никогда, лучшее приходит последним”. Уровень абстрагирования определяет степень формализации задачи для моделирования объектов с заданной детальностью и точностью. На уровне абстракций формируются обобщенные образы конструкций, позволяющие выделить в ней значимые для функционирования связи и отношения, ограничив их от других.

Генеральные задачи проектирования РЭА и ЭВА.В процессе системного проектирования и последующей конструкторской разработки решаются задачи, которые определяют основу создания и определения главных параметров изделия. Эти задачи называют генеральными. В их состав входят задачи: габаритная, массово-инерционная, формирования облика, разбиения на блоки и агрегаты, геометрической компоновки.

Задачи конструкторского проектирования РЭА и ЭВА.Конструкторское проектирование – один из важнейших аспектов проектирования изделий и их элементной базы частного применения (например, микросборок). Исходными данными для конструкторского проектирования являются результаты структурного, функционального схемотехнического проектирования. В свою очередь, результаты конструкторского проектирования, т. е. конструкторская документация и программы для программно-управляемого оборудования служат для технической подготовки производства.

Конструкторское проектирование включает в себя решение следующих групп задач: коммутационно-монтажного проектирования; проектирования несущих конструкций; разработки элементов системы “человек-машина”; конструирования мехатронных узлов и блоков; изготовления конструкторской документации. Взаимосвязь задач дана на рис.1.1. Рассмотрим подробнее состав задач коммутационно-монтажного проектирования.

Основные задачи коммутационно-монтажного (топологического) проектирования.Это наиболее массовые задачи разработки РЭА и ЭВА. Для любого уровня проектирования конструкции коммутационно-монтажное проектирование выполняет объединение модулей предшествующего уровня в уровень текущей компоновки, что обеспечивает физическое воплощение заданной функциональной схемы в конструкцию требуемого исполнения. Первая задача коммутационно-монтажного проектирования – задача схемной компоновки. Различают варианты компоновки: разрезание (разбиение), типизация, покрытие. В большинстве случаев при схемной компоновке задается функциональная схема объекта.

При разрезании необходимо разделить эту схему на части, соответствующие конструктивам данного иерархического уровня. При этом надо минимизировать или число таких конструктивов, или число соединений между ними, или суммарный объем, занимаемый получающейся конструкцией. Если требуется минимизировать количество типов используемых при компоновке конструктивов, то имеем процедуру типизации, если множество допустимых типов конструктивов заранее задано, то функциональная схема разделяется на части, соответствующие заданным типам конструктивов, и компоновка называется покрытием.

Покрытие функциональной схемы узла схемой соединения конструктивных типовых элементов является преобразованием функциональной схемы соединений базовых логических элементов в схему соединения МС и дискретных электрорадиоэлементов конструктивных узлов, т. е. принципиальную электрическую схему. Например, распределение по субблокам компонентов и формирование принципиальной электрической схемы этого субблока. Эти задачи решаются совместно.

Вторая задача коммутационно-монтажного проектирования – задача размещения, т. е. определение точного местоположения модулей в монтажном пространстве конструктива более высокого уровня. После размещения элементов в конструктиве решается задача трассировки, заключающаяся в определении точных путей печатных проводников на плате или проводных соединений в объеме.

Этапы проектирования

Процесс проектирования объектов нефтегазовой промышленности начинается с получения задания заказчика и заключения договора на проектирование.

Техническое задание устанавливает основное назначение разрабатываемого объекта, его технические характеристики, показатели качества, технико-экономические и другие специальные требования.

Для запуска проекта создается проектная группа, которая состоит из руководителей и инженеров-проектировщиков — их задача подготовить график выполнения работ, определить состав проекта и перечень участвующих организаций.

После согласования первичных документов осуществляется сбор исходных данных для реализации будущего проекта.

Чтобы полноценно изучить природные условия района (площадки, участка, трассы) проектируемого строительства, получить необходимые для обоснованных технических решений данные (с учетом рационального использования ресурсов и экологических требований), а также составить прогноз изменений окружающей среды под воздействием строительства и эксплуатации объекта проводятся проектно-изыскательские работы.

Геологи и инженеры-геодезисты проводят инженерные изыскания на территории будущего строительства. С помощью специальных стерео-приборов они создают объемную модель изучаемой местности, а с помощью буровой установки — забирают образцы грунтов для исследования, определения их состава и физико-механических характеристик.

Заключение геологов и материалы топографической съемки становятся обоснованием для выбора тех или иных конструктивных и технологических решений, поэтому точность измерений играет ключевую роль в процессе строительства и эксплуатации объекта.

Параллельно происходит подготовка сметной документации.

После изучения всех данных начинается процесс чистовой подготовки проекта — прорабатываются основные принципы работы системы, а также решения конкретных задач и пожеланий заказчика. Происходит окончательный выбор материалов для строительства и оборудования, составление итоговой сметы по проекту.

Сам проект представляет собой как графические материалы — планы, схемы, чертежи и цифровые модели будущего объекта, так и текстовые — документы, которые полностью объясняют принятые технологические решения.

Когда все документы согласованы с заказчиком, проект передается на экспертизу в органы государственной власти.

После утверждения проектной документации ФАУ «Главгосэкспертиза России» разрабатывается рабочая документация, представляющая собой совокупность текстовых и графических документов, обеспечивающих реализацию принятых в утвержденной проектной документации технических решений объекта капитального строительства, необходимых для производства строительных и монтажных работ, обеспечения строительства оборудованием, изделиями и материалами и/или изготовление строительных изделий.

Однако функции проектных организаций не заканчиваются разработкой проекта. В рамках авторского надзора происходит контроль выполнения всех проектных решений в ходе строительства и эксплуатации объекта — эксперты вовремя выявляют и корректируют все недочеты рабочей документации на этапе строительства объекта.

Конструкторское бюро “Топинженер” — Проектирование деревянных конструкций

В договоре, определяющем порядок взаиморасчетов, подробно расписаны типы, объемы работ и этапы платежей. Схема оплаты, как правило, строиться следующим образом:

— Предварительный платеж

Наша компания без предварительного платежа не начинает проектирование ни при каких обстоятельства.

Объем предварительного платежа, как правило, незначительный и не превышает 20-30%.

— Начало работы над проектом

Инженеры приступают к непосредственному проектированию деревянных конструкций

— Промежуточная выдача проекта

Количество промежуточных выдач подробно оговорено в договоре. При проектировании небольших деревянных конструкций весь проект может выдаваться сразу готовым, без промежуточных согласований.

— Прохождение экспертизы

Положительное заключение экспертизы означает, что проект сделан без ошибок и сроки проектирования не требуется корректировать из-за переделок. В таком случае порядок оплаты привязывается именно к нему.

— Промежуточный платеж

Промежуточные этапы платежей привязываться к промежуточным выдачам проекта. Соответственно после каждой промежуточной выдачи следует следующий платеж.

— Выдача проекта без монтажных схем

Проект деревянных конструкций выдается полностью, исключение составляет несколько чертежей проекта монтажных схем. Данные чертежи не требуются для изготовления деревянных конструкций, а необходимы исключительно при монтаже. Таким образом, у заказчика остаётся запас времени, чтобы оплатить весь проект деревянных конструкций, а у исполнителя гарантии оплаты в виде схем.

— Окончательный платеж

После окончательного платежа подписываться акты выполненных работ.

Сама схема может быть, более или менее сложной.При работе с зарубежными заказчиками, как правило принимается оплата из расчета стоимости за 1 час рабочего времени. То есть оплата за фактически отработанное время, что есть наиболее привычной схемой для зарубежных партнёров.

6.12.2. Проектирование расположения сэу. Методы проектирования расположений сэу.

Задача проектирования расположений СЭУ заключается в определении оптимального размещения комплектующего оборудования в ограниченном трехмерном пространстве при соблюдении ряда требований, которые либо конкретно изло­жены в соответствующих правилах и нормативных документах (минимальные расстояния между оборудованием и корпусными конструкциями, ширина проходов, размеры трапов, расположе­ние выходных путей, требования охраны труда и др.), либо носят более общий характер (обеспечение надежной работы механизмов, компактность расположения, обеспечение ремонто­пригодности, технологичность, типизация и унификация компо­новочных решений, требования инженерной эстетики и др.).

Задачи подобного рода плохо поддаются алгоритмизации, они решаются преимущественно на основе использования эври­стических приемов с применением моделирования. Трудности связаны также с тем, что комплектующее механическое оборудование проектируется самостоятельно в различных проектных организациях, практически без достаточного учета компоновки этого оборудования в составе единого комплекса, которым яв­ляется СЭУ.

Плоскостное масштабное моделирование (чертежный метод) широко используется при проектировании расположений СЭУ и во многих случаях может оказаться достаточно эффективным. В частности, этот метод находит применение:

• на начальных стадиях проектирования, когда необходимо определить расположение лишь основного оборудования СЭУ и одновременно проработать несколько вариантов распо­ложения;

• при проектировании расположений СЭУ небольшой мощ­ности с размещением оборудования в основном на одном уровне и с умеренным объемным насыщением помещений.

Очевидным недостатком этого метода является недостаточ­ная пространственная наглядность, что в наибольшей степени проявляется при проектировании сложных расположений со значительной объемной насыщенностью. К положительным осо­бенностям метода можно отнести простоту исполнения и достигаемую при этом хорошую обозримость.

Применяемый при плоскостном моделировании масштаб за­висит от габаритов помещений СЭУ. Наиболее употребитель­ными масштабами являются 1:10, 1:25, 1:50.

Плоскостное моделирование выполняют на заготовках в виде калек с нанесенными ограничительными габаритами по­мещения (машинного отсека) в ортогональных проекциях. Используя отдельно выполненные в нескольких проекциях и при­нятом масштабе габаритные чертежи размещаемого оборудо­вания, определяют на заготовках оптимальное его расположе­ние для рассматриваемого варианта, а при необходимости также целесообразно частичное изменение размеров и конфи­гурации помещения. Разработанное таким образом расположе­ние отражают на чертежах в нескольких проекциях, причем масштаб чертежей не обязательно должен совпадать с масшта­бом моделирования. Заготовки для моделирования (габариты помещения и габаритные чертежи оборудования) могут быть полностью или частично использованы для разработки других вариантов расположения.

В целях наиболее полного использования возможностей рассматриваемого метода следует четко разделять процесс моделирования и оформление чертежа расположения, который должен лишь зафиксировать найденное решение.

Объемное моделирование (метод макетирования) обеспечи­вает возможность наилучшей отработки расположений СЭУ.

В прошлом макетирование использовалось при рабочем про­ектировании лишь как вспомогательное средство для проверки и доработки расположений СЭУ, выполненных предварительно на чертежах. Макетирование осуществлялось в масштабе 1:25, 1:10 или даже в натуральную величину. Макеты выполнялись в основном из дерева на металлических каркасах и в необхо­димых местах имели разъемы. После доработки чертежей рас­положений макеты, как правило, не сохранялись.

В этих условиях макетирование обеспечивало лишь ограни­ченный эффект.

За последнее время технология масштабного макетирования расположений СЭУ существенно изменилась. Для изготовления макетов широко используют прозрачный плексиглас и другие синтетические материалы и клеи; а также современные САПР, масштабные макеты размещаемого оборудования заготовляют заранее. Все это позволило значительно ускорить и упростить процесс формирования рас­положений с помощью макетов.

Блочная компоновка СЭУ вызывает необходимость соответ­ствующего проектирования расположений и выпуска рабочей документации по расположениям отдельно для каждого блока. Использование типовых компоновочных решений, унифициро­ванных функциональных блоков (агрегатов) и зональных блоков (модулей) составляет важное направление в развитии стандартизации СЭУ.

Примеры расположений СЭУ приведены на рисунках ниже.

Уровни проектирования в электроснабжении | Проектирование электроснабжения

Сегодня необычная тема. В первую очередь она будет полезна начинающим проектировщикам, чтобы понять, что из себя представляет проектирование различных объектов, поговорим про самые «вкусные» проекты и самые трудоемкие разделы ПСД.

Для начала давайте выделим основные разделы проектной документации, разрабатываемые проектировщиками-электриками. Я не рассматриваю связь, РЗА, автоматизацию, т.к. не занимаюсь их проектированием и пока не планирую их изучать.

Основные разделы ПСД проектировщика-электрика:

1. ЭС – электроснабжение.
2. ЭП – электроснабжение, подстанции.
3. ЭВ – линии электропередачи воздушные.
4. ЭК – линии электропередачи кабельные.
5. ЭГ – молниезащита и заземление.
6. ЭМ – силовое электрооборудование.
7. ЭО – внутренне электрическое освещение.
8. ЭН – наружное освещение.
9. ЭУ – системы управления энергоснабжением и инженерным оборудованием.

Чтобы научиться все это проектировать и стать хорошим проектировщиком нужно владеть нормативными документами, умением работать в современных программах, обладать соответствующим опытом.

Что я подразумеваю под уровнями проектирования?

Есть разные по назначению объекты и для выполнения этих проектов необходим определенный объем знаний и опыта. Чем больше требуется для выполнения проекта знаний и опыта, тем уровень проектирования будет выше.

А теперь дам свою характеристику проектированию различных объектов:

1 Проектирование квартир и частных домов.

На мой взгляд, это самый низкий уровень проектирования. Здесь не требуется иметь огромный багаж знаний и опыта. Научиться проектировать такие объекты не так сложно и некоторые, запроектировав частный дом, думают, что они стали настоящими проектировщики. Как правило, такие проекты стоят не дорого 50-100$ и выполняются за 1-2 дня. Разумеется, есть и более сложные проекты, чем богаче заказчик – тем дороже и сложнее проект

2 Проектирование жилых многоквартирных домов.

По сравнению с частными домами, это более сложный уровень проектирования. Если в квартирах можно делать практически все что захочешь, то здесь вы должны проектировать все четко в соответствии нормами и типовыми решениями. Я такие проекты делал крайне редко и мне они не очень нравятся, т.к. тебя загоняют в жесткие рамки и не дают внедрять свои «ноу-хау», пытаются экономить на всем. Но, в целом это не очень нудная рабата, можно делать нормальную выработку.

3 Проектирование общественных зданий.

Я считаю, здесь нужно владеть самым высоким уровнем проектирования. Я не рассматриваю, какие-либо мелкие объекты, которые можно приравнять к проектированию частных домов. Дело в том, что здесь нужно знать очень много норм и требований. Например, запроектируйте школу, больницу, крупный торговый центр и поймете, что такое настоящее проектирование. Это самая распространенная и самая нудная работа и, на мой взгляд, оценивается она не по достоинству. Почему нудная? Дело в том, что здесь приходится очень много времени тратить на черчение.

4 Проектирование промышленных зданий.

Именно с этого я начинал свою проектную деятельность. То, что относилось к предыдущему пункту – относится и к этому. Мне нравится проектирование общественных и промышленных объектов тем, что здесь ты можешь импровизировать, разумеется, в рамках дозволенного. Вы принимали участие в проектировании крупных заводов? А мне приходилось, в то время я еще о деньгах не думал, просто проектировал и получал опыт.

5 Молниезащита.

По моему мнению, молниезащита — это средний уровень проектирования или даже чуть ниже среднего. Кстати, сейчас столько производителей и торгашей изделий для молниезащиты, что даже можно дать им задание и они сами все за вас просчитают. Работа интересная, приходится рассчитывать зоны защиты, нормативные документы можно перечислить на пальцах одной руки. Молниезащита по сборнику цен имеет хорошую расценку и при наличии заказов можно делать хорошую выработку. В последнее время мне крайне редко приходится проектировать молниезащиту.

6 Проектирование наружного освещения.

Это средний уровень проектирования. Работа интересная и хорошо оплачиваемая. Норм не очень много. Здесь нужно делить объекты на освещение дорог и освещение прилегающей территории. Дороги мне не приходилось проектировать, а с освещением территории особых трудностей у меня не возникало. Очень важно уметь работать в такой программе, как Dialux.

7 Проектирование наружных кабельных сетей.

Уровень – чуть ниже среднего. Моя самая любимая работа, где можно делать максимальную выработку, поскольку здесь весь процесс проектирования у меня систематизирован. Есть все: каталоги, типовые проекты, ТНПА, программы, знания. Весь процесс проектирования я отразил в своем первом обучающем курсе.

Вы бы знали, как мне приятно читать вот такие отзывы  по курсу:

Минимарафон получился очень клёвый, для меня было полезно посмотреть, я очень рад, что так удачно вложился, когда купил твой курс!

8 Проектирование воздушных линий электропередач.

Проектирование ВЛ – средний уровень проектирования. В основном я проектирую в городской черте, а там ВЛ проектируют крайне редко. По сравнению с кабельными линиями это более трудоемкий раздел ПСД. Мне не нравится он тем, что приходится подбирать кучу всякой арматуры для опоры, особенно когда у тебя не совсем  типовые решения. Один из последних проектов (будет обзор в моем курсе): однофазное ответвление от ВЛ-10кВ, далее прокладка КЛ-10кВ, установка МТПО 10/10/0,23. В проекте 2 опоры, а комплектовать их нужно непонятно чем

9 Проектирование трансформаторных подстанций.

Самый жирный здесь кусок работы – проектирование комплектных трансформаторных подстанций. Проект делается быстро, по-хорошему и расцениваться должен хорошо. В последнее время мелкие КТП почти делаю бесплатно, когда они идут в комплекте с наружными сетями. Кстати, в плюшках я рассылал очень классный типовой проект по проектированию КТП в бетонном корпусе. Разумеется,  если у вас будет ТП, например, встроенная в производственное здание с масляными трансформаторами, то вам необходимо будет немного повозить и здесь опыта нужно побольше и уровень проектирования будет – выше среднего. Нужно разрабатывать подземное хозяйство, выдерживать все нормируемые габариты  и т.п.

10 Проектирование АСКУЭ.

По сборникам цен это очень хорошая работа.  Уровень проектирования – может быть разным. Порой можно отнести к низкому, а порой будет выше среднего. Важно следить за развитием технологий, за новыми возможностями передачи информации. Норм не много, важен опыт и знание всех возможных способов передачи информации в энергоснабжающую организацию.

Проектирование должно приносить не только деньги, но и удовольствие. А чтобы получать удовольствие от своей работы у нас должны быть все необходимые инструменты для работы, а процесс проектирования систематизирован. Если бы были обучающие курсы по каждому разделу, то проектировать было бы намного проще, но на сегодняшний день у меня имеется пока только один курс. Моя цель не только рассказать, как проектировать, но и предоставить вам инструмент для работы: шаблон проекта с моими наработками и динамическими блоками. Летом планирую выпустить еще один курс по проектированию…

P.S. Инвестируйте деньги в обучение, поверьте, оно себя окупит.

Советую почитать: