Л.Н. ПРЕСНУХИН, В.А.ШАХНОВ

КОНСТРУИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОННЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИН

И СИСТЕМ


Л.Н.ПРЕСНУХИН,
В. А. ШАХНОВ

КОНСТРУИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИН

И СИСТЕМ

Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов втузов,
обучающихся по специальностям
«Электронные вычислительные машины»
и «Конструирование и производство
электронно-вычислительной аппаратуры»

МОСКВА < ВЫСШАЯ ШКОЛА > 1986
ББК 32.971
П73
• УДК 681.321

Рецензенты: кафедры «Конструирование и производство
ЭВА» (зав. кафедрой —д-р техн, наук, проф. Б. И. Белов) и
«ЭВМ и системы» МВТУ им. Н. Э. Баумана (зав. кафедрой —
д-р техн, наук, проф. Ю. М. Смирнов), д-р техн, наук, проф.
Б. Н. Файзулаев

Преснухин Л. Н., Шахнов В. А.

П73 Конструирование электронных вычислительных
машин и систем. Учеб, для втузов по спец. «ЭВМ»
и «Конструирование и производство ЭВА».—М.:
Высш, шк., 1986. 512 с.: ил.

В книге рассмотрены основные правила конструирования современ-
ных ЭВМ; требования, предъявляемые к конструкции ЭВМ в зависимости
от их типа, назначения и условий эксплуатации; вопросы конструирования
стационарных и транспортируемых ЭВМ, обеспечения их помехоустой-
чивости, надежности, экономичности и т. д.; приведена информация
справочного характера об основных конструкционных и изоляционных
материалах и комплектующих изделиях.

2405000000-271

П	001(01)—86	147-86

ББК 32.971
6Ф7.3

© Издательство «Высшая школа», 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкая автоматизация технологических процессов на основе
применения автоматизированных станков, машин и механизмов,
унифицированных моделей оборудования, работотехнических
комплексов и вычислительной техники, как подчеркнуто в мате-
риалах XXVII сьезда КПСС, составляет одно из главных на-
правлений научно-технического прогресса. Создание средств вы-
числительной техники, способных управлять приборами, станка-
ми, оборудованием, механизмами, немыслимо без применения
научно обоснованных методов конструирования. Только правиль-
но сконструированная ЭВМ способна эффективно управлять
комбайном и космическим кораблем, стиральной машиной и
сборочным агрегатом, автомобилем и детской игрушкой. Значе-
ние изучения дисциплины «Конструирование ЭВМ и систем»
все более возрастает с расширением областей применения
вычислительной техники, когда от ЭВМ требуется не только
большая производительность, память, гибкость «поведения», но
и возможность встраивания непосредственно в объект контроля
и управления.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность кол-
лективам кафедр «ЭВМ и системы», «Конструирование и произ-
водство ЭВА» МВТУ им. Н. Э. Баумана и д-ру техн, наук
Б. Н. Файзулаеву за труд по рецензированию книги и сделанные
при этом полезные замечания.

Авторы будут признательны всем читателям, которые выскажут
свои замечания по содержанию книги по адресу: 101430, Москва,
ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

В основу данного учебника положено учебное пособие «Осно-
вы конструирования микроэлектронных вычислительных машин»
авторов Л. Н. Преснухина, В. А. Шахнова и В. А. Кустова, вышед-
шее в издательстве «Высшая школа» в 1976 г.
ВВЕДЕНИЕ

Конструирование, являясь составной частью процесса раз-
работки ЭВМ, представляет собой сложный комплекс взаимо-
связанных работ, при выполнении которых необходимы учет
разносторонних требований к конструкции машины, знание
современной технологии, схемотехники, импульсной техники,
сопротивления материалов, теории надежности и других теоре-
тических и прикладных дисциплин. Важным также является
использование практического опыта разработчиков электрон-
ной вычислительной аппаратуры.

Более чем тридцатилетняя история становления и развития
электронной вычислительной техники включает в себя созда-
ние, развитие и постепенное вытеснение нескольких поколений
ЭВМ. При этом каждое поколение, создание которого пред-
определяло появление нового типа элементной базы (электрон-
ные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы,
микропроцессорные и другие большие интегральные схемы),
существенным образом изменяло правила и положения теории
и практики конструирования. Однако для всех поколений
ЭВМ характерным являлось и является разбиение конструкции
и общей схемы машины на отдельные, часто повторяющиеся
узлы, оформляемые в виде конструктивно законченных элемен-
тов (узлов).

Рост степени интеграции микросхем, связанный с успехами
микроэлектроники, увеличивает число типов таких элементов
(узлов) и снижает их тиражность в пределах одной ЭВМ.
Последнее достижение микроэлектроники —микропроцессоры
(секционированные и с фиксированной разрядностью, одно-
кристальные микро-ЭВМ) — расширило области применения
ЭВМ, явилось основой для создания нового, самого массового
средства вычислительной техники — микро-ЭВМ. Для этих
ЭВМ отдельные элементы (узлы) схемотехнически различны и,
как правило, не повторяются. Диапазон применений микро-
ЭВМ весьма широк: они используются для управления объек-
тами как бытового, так и космического назначения, вследствие
чего вопросы конструирования этого класса машин, базирую-
щихся на использовании больших интегральных- схем, стано-
вятся все более и более сложными, разнообразными.

Рост степени интеграции микросхем, в которых размеры
отдельных логических элементов соизмеримы с расстоянием
между ними, ставит перед разработчиками электронной вычис-
лительной аппаратуры ряд задач, решение которых зависит
прежде всего от полноты учета всех факторов, влияющих на
процесс обработки и хранения информации. Эти факторы име-
ют различную физическую природу, поэтому конструктор ЭВМ
должен быть разносторонне развит, так как при разработке
конструкции ЭВМ требуется решение задач противодействия
климатическим, механическим и радиационным воздейст-
вующим факторам, обеспечения теплового режима работы
отдельных элементов и устройств в целом, обеспечения поме-
хоустойчивости и нормальных электрических режимов работы,
обеспечения механической прочности, обеспечения надежной
и безопасной работы ЭВМ, обеспечения нормальной работы
оператора. Решить в комплексе эти задачи сможет лишь
человек, имеющий всесторонние знания в области конструи-
рования радиоэлектронной аппаратуры вообще и электронной
вычислительной аппаратуры в частности.
ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ ЭВМ
И СИСТЕМ И УСЛОВИЯХ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Конструкция современной ЭВМ и системы — комплекс различных по
природе деталей, определенным образом объединенных электрически и
механически друг с другом и призванных выполнять заданные функции в
заданных условиях и режимах эксплуатации. От правильного выбора этих
деталей, материалов, из которых они изготовлены, правильного их разме-
щения, закрепления и объединения зависят важнейшие характеристики
машины (быстродействие, объем, масса, потребление мощности, допустимые
условия эксплуатации, надежность, стоимость и т. д.).

Широкое внедрение вычислительной техники во все сферы человеческой
деятельности предопределяет необходимость разработки таких ЭВМ, которые
бы имели широкие возможности применения, малую стоимость, небольшую
длительность этапа разработки и внедрения ее в производство, максималь-
ную технологичность и т. д. Конструктор-разработчик ЭВМ для обеспечения
этих, часто взаимоисключающих друг друга требований в качестве исходных
данных имеет электрическую схему машины, вид объекта установки машины
и общие сведения об уровне производства, предназначенного для выпуска
разработанной машины малыми, средними или большими сериями. От вида
объекта установки ЭВМ зависит какие из факторов, характеризующих
условия эксплуатации, будут в большей степени влиять на ее работо-
способность. Уровень производства имеет существенное значение при опре-
делении стоимости разрабатываемой ЭВМ, ее надежности, удобства наладки
и ремонта, трудоемкости, технологичности и т. д.

§ 1.1

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭВМ И СИСТЕМ

Условия эксплуатации электронно-вычислительной аппара-
туры имеют различную физико-химическую природу и изменя-
ются в весьма широких пределах.

Факторы, воздействующие на работоспособность ЭВМ, раз-
деляют на климатические, механические и радиационные.

К климатическим факторам относят: изменение температуры
и влажности окружающей среды; тепловой удар; увеличение
или уменьшение атмосферного давления; наличие движущихся
потоков пыли, песка; присутствие активных веществ в окру-
жающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибко-
вых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых и гры-
зунов; взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы, дождя
или брызг; присутствие в окружающей среде озона.

К механическим факторам относят: воздействие вибрации,
ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие
невесомости.

К радиационным факторам относят: космическую радиацию;
ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей; облуче-
ние потоком гамма-фотонов, быстрыми нейтронами, бета-час-
тицами, альфа-частицами, протонами, дейтронами.

Некоторые факторы могут проявлять себя независимо от
остальных, а некоторые факторы —в совместном действии
с другими факторами той или другой группы' (например,
наличие движущихся потоков песка неизбежно приводит к
возникновению вибраций в конструктивных элементах ЭВМ).

Климатические факторы. Температура окружающей среды.
Повышение температуры среды, окружающей элементы, узлы и всю ЭВМ,
связано, с одной стороны, с повышением температуры атмосферы, а с другой —
с выделением теплоты при работе микроэлектронных компонентов. Поэтому,
как правило, внутри ЭВМ температура больше наружной и это необходимо
учитывать при разработке ее конструкции. Понижение температуры связано
только с изменением температуры атмосферы.

Работоспособность ЭВМ определяется допустимым температурным диапа-
зоном работы ее элементов: внутри этого диапазона ЭВМ должна сохранять
работоспособность во включенном, т. е. рабочем, состоянии. Для исключе-
ния выхода из строя ЭВМ в процессе хранения и транспортирования
(в нерабочем, невключенном, состоянии) конструкцию ее выполняют такой,
чтобы она выдерживала температуры, несколько большие их допустимого
диапазона. Эти температуры, называемые предельными температурами,
характеризуют тепло- и холодопрочность конструкции ЭВМ.

Верхние и нижние значения температуры атмосферы при эксплуатации
ЭВМ, а также температуры воздуха или другого газа при ее хранении и
транспортировании разделяют по степеням жесткости (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Воздействующий фактор	Значения		Степень жесткости
	Верхнее	40	I
		45	II
		50	III
		55	IV
		60	V
		70	VI
		85	VII
		100	VIII
		125	IX
		155	X
		200	XI
Рабочие температуры, °C		250	XII
		315	XIII
		400	XIV
		500	XV
	Нижнее	+1	I
		-5	II
		-10	III
		-25	IV
		-30	V
		-40	VI
Продолжение табл. 1.1

Воздействующий фактор	Значения		Степень жесткости
		-45  -60  -85	VII VIII IX
Предельные температуры, °C	Верхнее	+50  . +60	I II
	Нижнее	-50  -60  -85	I II III

Тепловой удар. Такой вид воздействия на работоспособность
ЭВМ заключается в резком изменении температуры окружающей среды.
При этом время изменения температуры исчисляется минутами, а ее перепад —
десятками градусов.

Атмосферное давление. На ЭВМ, устанавливаемую на некоторых
объектах, может воздействовать различное давление окружающей ее атмо-
сферы. Давление внутри корпуса постоянно, если корпус герметизирован,
и зависит от места нахождения ЭВМ относительно уровня моря и погодных
условий. Так, циклоны вызывают изменение атмосферного давления на
8 кПа. На уровне моря отмечено минимальное давление 91 кПа и макси-
мальное 107,5 кПа при номинальном значении атмосферного давления
101,3 кПа. С увеличением высоты над уровнем моря давление падает.

Степени жесткости этого вида воздействующего фактора и соответ-
ствующие им значения давления такие:

Степень

жесткости I П Ш IV V VI VII VIII IX X
Пониженное
давление,

Па ... . 7-104 5 3,5 • 103 26,7-Ю3 12-103 2 • 103 6,7 • 102 ' 1333 133 0,13 13-КН
Повышенное
давление,

Па ... . 0,147-106 0,294-10е-	-	-	-	-	-	-	-

Влажность. Это один из наиболее агрессивных воздействующих
факторов, проявляющий себя при погружении изделий в воду, воздействии
капель дождя, брызг и водяных паров, содержащихся в атмосфере, образо-
вании росы, инея с последующим его оттаиванием.

Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными вещест-
вами: углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хлористым
натрием, газами (азот, кислород и углекислый газ). Концентрация солей в воде
морей и океанов доходит до 5%, а состав воды рек зависит от состава
воды источников, их питающих, и химической природы размываемых
пород.

Капли дождя и брызг при ударе б корпус аппаратуры вызывают меха-
нические вибрации.

_ Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при определен-
ной температуре, значение которой зависит от относительной влажности
атмосферы.
Зависимости температуры выпадения росы от
следующие:

относительной влажности

Относительная
влажность, % . . 100	80

Точка росы, °C . . 15,5	12,1

60

7,8

40

2,0

20
т-6,6

Содержание водяных паров выражается как процент от величины насы-
щения ими атмосферы. Фактическая масса водяного пара в 1 м3 есть абсолют-
ная влажность атмосферы. Количество водяного пара в атмосфере сравни-
тельно мало, и если общее содержание влаги остается неизменным, то отно-
сительная влажность при повышении температуры уменьшается. Например,
если 1 дм3 воздуха содержит 0,07 г влаги при 4,4°С (насыщение), то при
более высоких температурах значение относительной влажности будет из-
меняться так, как представлено ниже:

Температура воз-

духа, °C ....	4,4	10	15,5	21	27,5	32	38

Относительная

влажность, % . .	100	71	50	36	26	19,5	14,5

На рис. 1.1. даны графики зависимостей абсолютной и относитель-
ной Wo влажности от температуры t.

Количество водяных паров в атмосфере уменьшается с ростом высоты
над уровнем моря. В верхних слоях атмосферы воды практически нет.

Степени жесткости, относительной влажности и соответствующих темпе-
ратур следующие:

Степень жесткости I

Относительная

влажность, % . .	80

Температура, °C . . 25

Конденсация влаги нет

II	IV	VI	VIII

98	100	98	100

25	25	35	35

нет	да	нет	да

Воздействие влажности на металлы и изоляционные материалы по фи-
зической природе различно, но имеет одинаковый результат — разрушение
исходной структуры вещества; в металлах это происходит за счет корро-
зии, в изоляционных материалах — за счет влагопоглощения.

Пыль и песок. Пыль и песок,
находящиеся в атмосфере, равномерно и
медленно оседают или передвигаются
вместе с движущимися потоками воздуха.
Состав пыли, размер образующих ее час-
тиц и степень концентрации пыли в
атмосфере зависят от места расположе-
ния ЭВМ. Вблизи городов и тепловых
электростанций содержание пыли в атмо-
сфере увеличивается, причем существен-
ную часть ее состава определяют продук-
ты сгорания серы. Кроме того, в состав
пыли входят неорганические (зола, сажа,
уличная пыль и др.) и органические
частицы, текстильного и растительного
происхождения. Размер частиц, образую-
щихся во время производственных про-
цессов, достигает 20 мкм, однако 95%
всего числа пылинок составляют частицы
размером до 5 мкм. Концентрация пыли
с увеличением высоты над уровнем моря
убывает по экспоненциальному закону.
На уровне земли примерно 100 пылинок

Рис. 1.1. Графики зависимости
абсолютной и относительной
влажности от температуры
в 1 см3 воздуха, на высоте около 1,5 км — в среднем 1 пылинка в 1 см3.
Сухие частицы пыли вследствие адсорбирования ионов могут быть заря-
жены, поэтому они оседают преимущественно на деталях, находящихся
под постоянным потенциалом.

Песок состоит из округленных частиц кварца размером 0,06—0,8 мм.
Наличие песка в атмосфере особенно заметно в районах с жарким, сухим
климатом, концентрация его увеличивается с увеличением скорости движе-
ния масс воздуха.

Грибковые образования. Эти образования относят к низшим
растениям, не имеющим фотосинтеза. Отсутствие хлорофилла является
причиной того, что для своего роста такие растения используют органи-
ческие вещества, а в процессе жизнедеятельности выделяют ферменты
(метаболиты), ускоряющие процессы разложения этих веществ. Хотя в со-
став грибковых образований входит вода (до 90%), тем не менее они
гигроскопичны и во влажной атмосфере интенсивно поглощают воду.

Идеальные условия для роста грибковых образований--относительная
влажность 80—100%, температура 25—35°С, неподвижность воздуха, отсутствие
света (особенно ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра, тормо-
зящих его развитие).

Солнечное облучение. Энергия солнечных лучей, падающих на
земную поверхность, составляет около 1,4 • 103 Вт/м2 и сосредоточивается
в основном в области длин волн 0,2—0,5 мкм.

Активные вещества в атмосфере. Содержание активных
веществ в атмосфере районов, находящихся вблизи морей и океанов, су-
щественно больше, чем во внутриконтинентальных районах. Атмосфера
около городов, тепловых электростанций, крупных производств также со-
держит много активных веществ: сернистый газ, хлористые соли, пары
азотной кислоты, щелочей и др.

Действие того или другого климатического фактора на работоспособ-
ность ЭВМ определяется климатической зоной или высотой над уровнем
моря, в которых эксплуатируется машина. Климатической зоной называют
участок поверхности Земли, на котором в течение 30—50 лет наблюдаются
постоянные, характерные метеорологические условия. Различают климатиче-
ские зоны: умеренную (У), холодную (ХЛ), тропическую влажную (ТВ),
тропическую сухую (ТС), умеренно холодную морскую (М) и тропическую
морскую (ТМ).

Для зоны умеренного климата (Европа, Западная и Южная Сибирь,
равнинный Китай, Канада, США, Северная Япония, южные районы Австра-
лии, Африки и Южной Америки — районы между 30-й и 60-й параллелями
Южного и Северного полушарий) характерны среднегодовое изменение
температуры от -30 до +35°С с максимальными значениями ±40°С; средне-
суточный перепад температур 11°С; средняя относительная влажность 80%
при +20°С (влажность может доходить до 90%, но очень редко); обледе-
нение, образование инея, росы, наличие тумана; изменение давления воз-
духа от 86 до 106 кПа.

Для зоны холодного климата (Средняя и Восточная Сибирь, Аляска,
Северная Канада, Гренландия, Антарктида, Арктика) характерно наличие
отрицательных температур в течение большей части года (здесь средняя
минимальная температура -50°С; средняя максимальная температура для
континентальных районов +30°С); годовой перепад температур для неко-
торых районов 80°, среднесуточный перепад температур может доходить
до 40°С. Так, 5 февраля 1892 г. в Верхоянске была зарегистрирована ми-
нимальная температура -67,8°С. Наиболее холодной местностью считается
Антарктида: на станции во Фрамгейме была зарегистрирована среднегодовая
температура -25,5°С.

Частые и большие перепады температур приводят к образованию инея,
тумана, обледенения. В летние месяцы появляется множество насекомых
(гнус, комарй). Скорость ветра при пурге доходит до 40—100 м/с. Из всего
количества выпадающих осадков (до 200 мм) более половины приходится
на снег (приблизительно 250 мм осадков в виде снега равно 25 мм осад-
ков в виде дождя).

Для зоны тропического сухого климата (засушливые районы Средней
Азий, Турция, Иран, Афганистан, Аравия, Северная и Центральная Африка,
Южная Африка — пустыня Калахари, Центральная Австралия, Мексика, сред-
няя часть Южной Америки) характерны высокая температура и низкая
относительная влажность воздуха (в среднем 10—20%) в течение большей
части года. Температура воздуха может изменяться от +60 днем до -10°С
ночью, суточное изменение температуры в среднем достигает 40°С. Темпе-
ратура Земли и поверхности открытой аппаратуры на солнце достигает +75°.
Наивысшая температура была зарегистрирована в Азизе (Ливия). 13 сентября
1922 г. здесь было в тени +58°С.

Большую часть года в районах сухого климата дуют ветры. Движущиеся
потоки воздуха захватывают частицы песка, поднимают на большую высоту
(до 3000 м) и переносят на значительные расстояния с большой скоростью.
Частицы пыли и песка остаются во взвешенном состоянии в течение
нескольких недель и медленно осаждаются на поверхность аппаратуры.
Для этих районов характерно также наличие насекомых, грызунов и пре-
смыкающихся.

Для зоны тропического влажного климата (Индия, Индокитай, Индоне-
зия, тропическая Экваториальная Африка, Америка и бассейн Амазонки)
характерна среднегодовая температура от +20 до +25°С при минимальной
температуре +3°С и максимальной температуре +40°С. Перепад температуры
за сутки не превосходит 10°. Относительная влажность воздуха доходит
до 100% при +35°С. Часты грозы, туманы, роса, обилие насекомых, гры-
зунов, пресмыкающихся.

Различают два типа тропического климата: влажный тропический лес
и районы тропических морей. Для первого характерны относительное по-
стоянство температуры днем и ночью (перепад 2—3°С) и высокая влажность
(не менее 85%). Для второго — наличие большой концентрации солей в
атмосфере (например, концентрация NaCl может достичь 5 мг в 1 м3 на
расстоянии 45 м от линии прибоя). Высокая влажность способствует раз-
витию микроорганизмов, а загрязненная солями атмосфера является причиной
ускоренной коррозии металлов и разложения органических веществ.

Характеристики окружающей аппаратуру атмосферы зависят не только
от вида климатической зоны, но и от высоты над уровнем моря. Это надо
учитывать при конструировании ЭВМ, разрабатываемой для применения в
горных условиях и космических объектах.

Атмосферу разделяют на зоны в соответствии с климатическими из-
менениями. Ближайшая к поверхности Земли зона — тропосфера — простира-
ется вверх до 16 км, следующая за ней стратосфера — примерно до 40 км,
затем мезосфера — до 80 км и ионосфера — свыше 80 км. Давление воздуха
с ростом высоты падает (рис. 1.2), и на границе между тропосферой и
стратосферой оно равно примерно 10,6 кПа. Содержание влаги в атмосфере
с увеличением высоты также уменьшается. Так, на высоте .около 15 км
относительная влажность воздуха 2—3%. Закон изменения температуры с
увеличением высоты сравнительно сложен. На рис. 1.3 представлено из-
менение температуры воздуха на различных высотах до 120 км. До высоты
11 км температура падает на каждые 300 м примерно на 2°С, затем оста-
ется на уровне -60°С до высоты 32 км и потом равномерно повышается
на каждые 800 м на 7°С. На высотах 50—60 км температура почти не ме-
няется, оставаясь на уровне +80°С, затем снова уменьшается до -30°С, на
высоте 80 км и далее только повышается. На высотах 15—48 км распо-
ложена зона озона, поглощающего около 5% солнечной энергии (в основном
поглощается коротковолновая часть электромагнитного спектра, т.е. ультра-
фиолетовые лучи с длиной волны ниже 4000 А).

Исследование околоземного и космического пространства в последние
годы позволило установить два радиационных пояса около земли. Первый
пояс располагается на высоте 2300—5500 км с пиковой интенсивностью на
уровне 3860 км; второй пояс находится на высоте 12 800—19 300 км с мак-
симальной интенсивностью на уровне 16 000 км. Оба пояса простираются
над геомагнитным экватором Земли и до широт примерно 50—60°. Более
высокие широты свободны от присутствия заряженных частиц с высокой
интенсивностью.

Рис. 1.2. График зависимости давления
воздуха от высоты над уровнем моря

Рис. 1.3. График зависимости температу-
ры воздуха от высоты над уровнем моря -/до -дд -20 д 20	60 t,°C

Механические факторы. Вибрация. В процессе транспортирования
и эксплуатации ЭВМ подвергается воздействию вибраций, которые пред-
ставляют собой периодические (как правило, сложные) колебания, которые
возникают в ЭВМ при контакте с источником колебаний. Особо опасны
вибрации, частота которых близка к собственным частотам узлов и эле-
ментов конструкции. Способность машины противодействовать их влиянию
характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью. Виброустойчивость
определяет способность ЭВМ устойчиво работать в условиях воздействия
вибрации. Вибропрочность характеризует качество конструкции машины,
т. е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в
нерабочем состоянии и продолжать нормально работать при включении
после снятия вибрационных нагрузок.

Параметрами вибрации являются частота и ускорение. Значения этих
параметров для характеристики виброустойчивости ЭВМ выше, чем для
характеристики вибропрочности ЭВМ. В табл. 1.2 представлены значения
параметров вибрационных нагрузок, разделенные по степени жесткости.

Удар. Явление удара имеет место в тех случаях, когда объект,
в котором установлена ЭВМ, претерпевает быстрое изменение ускорения.
Параметрами удара являются ускорение и длительность удара. Различают
удары одиночные и многократные. Значения параметров ударных нагрузок,
разделенные по степеням жесткости, представлены в табл. 1.2. Ударные
нагрузки менее опасны (при равных значениях ускорения), чем вибрации.

Линейное ускорение. Линейное ускорение выражается в единицах
ускорения свободного падения g и при определенных условиях отрицательно
влияет на работоспособность ЭВМ. Степени жесткости этого вида механи-
ческих воздействий представлены в табл. 1.2. Линейное ускорение менее
опасно, чем вибрация и удар (при равных значениях ускорения).

Акустический уд ар. Этот вид механических воздействий прояв-
ляется в большей мере в самолетах и ракетах, в которых ЭВМ установлена
недалеко от работающих двигателей. Акустический удар (шум) можно ха-
I

Таблица 1.2

Воздейст- вующий на ЭВМ (систе- му) механи- ческий фактор	Параметры			' Сте- пень	Воздейст- вующий на ЭВМ (систе- му) механи- ческий фактор	Параметры			Сте- пень
	диапазон частот, Гц	уско- ре- ние, g	дли- тель- ность,  мс	жест- кости		диапа- зон час- тот, Гц	уско-‘ ре- ние, g	дли- тель- ность, мс	жест- кости
Вибрация	1-35 1-60 1—60 1-80 1-100 1-200 1-200 1-600 1-600 1-1000 1-2000 1-2000 1-2000 1-2000 1-3000 1-5000 1-5000 1-5000 1-5000  100-5000	0,5 1,0 2,0 5,0 1,0 5,0 10,0 5,0 10,0 10,0 5,0 10,0 15,0 20,0 20,0 10,0 20,0 30,0 40,0 40,0	  1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX	Удары много- кратные  Удары одиноч- ные  Линейное ускоре- ние	—	15  40 75 150  4  20 75 150 500 1000 1500 3000  10 25  50 100 150 200 500	2-15 2-10  2-6 1-3  40-60 20-50 2—6 1-3 1-2  0,2-1 0,2-0,5 0,2-0,5	I II III IV  I II III IV V VI VII VIII  I II III IV V VI VII

рактеризовать давлением звука, мощностью колебаний источника звука и
силой звука. Важный параметр звука —спектр звуковых частот, различный
для всех видов источников.' Так, у звуковой сирены (сигнализации воздуш-
ной тревоги) большая часть мощности концентрируется в пределах узкого
частотного спектра, в то же время звук ракетного двигателя имеет срав-
нительно широкий спектр и почти равномерное распределение мощности
по частотам спектра.

Невесомость. Невесомость как механический воздействующий фактор
проявляется в космических аппаратах и искусственных спутниках Земли,
характеризуется отсутствием гравитационных сил или равновесием центро-
бежной силы и силы притяжения Земли. Влияние невесомости (особенно
длительной) на работоспособность ЭВМ сравнительно мало изучено. Вы-
яснено лишь, что невесомость оказывает отрицательное действие в местах
соприкосновения движущихся поверхностей механических деталей (при этом
изменяются свойства смазывающих масел) и в местах крепления массивных
блоков, установленных на земле с начальными, напряжениями, обусловлен-
ными их собственными массами.

Радиационные факторы. Космическая радиация. Космическая
радиация выражается в возникновении процесса ионизации в материалах
и проявляется в ЭВМ, устанавливаемых на космических объектах. Основные
характеристики космической радиации — мощность потока и интегральный
поток. Мощность истока — количество частиц, падающих на площадку в
1 см2 за 1 с. Интегральный поток—полное число частиц, прошедших через
площадку в 1 см2 за все время облучения.

Облучение ядерными частицами. Характер облучения зависит
от вида ядерных частиц, его составляющих, и их комбинаций. Различают
облучение гамма-фотонами, альфа-частицами, бета-частицами, протонами,
дейтронами, быстрыми нейтронами и осколками ядер. Степень облучения
гамма-фотонами характеризуется дозой облучения и ее мощностью. При,
дозе в 2,58 • 10-4 Кл/кг воздуха поглощается энергия в количестве 83 • 10-7 Дж.
Действие облучения другими частицами характеризуется потоком частиц
Ф-^dN/dt, плотностью потока q>^d®/dS и длительностью потока t (где N—
число частиц, 5—площадь прохождения потока).

Облучение ядерными частицами может вызвать в веществах обратимые,
полуобратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с
началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают
с его прекращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения,
увеличиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения.
Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной дозы
облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.

Проявление радиационных факторов и степень их воздействия на те
или иные материалы зависит от природы самого материала. Наиболее
устойчивы к радиации металлы вследствие высокой концентрации в них
свободных носителей зарядов. У большинства металлов при радиационном
облучении возрастает предел текучести и снижается ударная вязкость.

Механические и диэлектрические свойства органических материалов при
облучении ухудшаются.

Сопротивление резисторов и электрическая прочность конденсаторов
уменьшаются при воздействии на них радиационных факторов.

При облучении полупроводниковых материалов в последних образуются
дополнительные носители зарядов (фотс-токи), искажающие процессы, про-
исходящие в р-п-структурах.

§ 1.2

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭВМ
И СИСТЕМ

Характер и интенсивность воздействия климатических (в
меньшей степени), механических и радиационных (в большей
степени) факторов зависят от тактики использования и объекта
установки ЭВМ. Классифицируя любую ЭВМ по этому признаку,
можно разделить их на стационарные и транспортируемые.
Каждая из групп, в свою очередь, включает в себя ЭВМ
различных классов и назначения.

Стационарные ЭВМ. Это машины, эксплуатируемые в отап-
ливаемых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах,
помещениях с повышенной влажностью, на открытом воздухе,
производственных цехах. По тактико-техническим данным, это
могут быть многомашинные вычислительные комплексы,
большие универсальные, управляющие, настольные и встраи-
ваемые вычислительные машины, микрокалькуляторы. Условия
эксплуатации (и транспортировки в нерабочем состоянии до
места эксплуатации) таких машин характеризуются весьма
широким диапазоном рабочих (от -50 до +50°С) и предель-
ных (от -50 до +65°С) температур, влажностью до 90—98%,
вибрацией до 120 Гц при 4—6g, наличием многократных
(до 5g) и одиночных (до 75g) ударов, воздействием дождя
до 3 мм/мин и соляного тумана с дисперсностью капель до
10 мкм и содержанием воды до 3 г/м3.
< Транспортируемые ЭВМ. Это машины, устанавливаемые и
Хэксплуатируемые на автомобилях и автоприцепах, железнодо-
рожном и гусеничном транспорте, морские и бортовые ЭВМ.
Специфика работы этого вида машин предопределяет повы-
шенное воздействие механических факторов, в основном виб-
рации и ударов. Каждый вид транспорта имеет собственные
вибрационные характеристики, характер изменения которых
представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Вибрационные характе-
ристики различных видов транс-
порта:

а — морской; б — железнодорожный;
в — автомобильный; г — авиационный

Для предупреждения повреждений ЭВМ необходимо, чтобы
вся машина и отдельные ее части имели собственные резо-
нансные частоты, лежащие вне диапазона частот вибрации
транспортного средства, на котором машина эксплуатируется
или перевозится. На ЭВМ, устанавливаемую на автомобилях
и автоприцепах, могут воздействовать вибрация до 200 Гц
и удары, вызванные неровной дорогой. При движении желез-
нодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как след- z
ствие изменения скорости движения (при маневрировании воз- '
никают удары с ускорением до 40g). Биение колес о стыки
рельсов вызывает вибрацию с частотой до 400 Гц при уско-
рении до 2g. Особо жесткие условия работы создаются для
ЭВМ, эксплуатируемой в гусеничном транспорте (танках, транс-
портерах и самоходной артиллерии). Здесь вследствие «стука»
гусениц частота вибраций может доходить до 7000 Гц с
амплитудой ±0,025 мм. Удары, вызванные неровной дорогой,
отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус,
могут быть большой силы и сопровождаться вибрацией. Кроме
того, постоянно воздействие акустического шума с уровнем
до 150 дБ.

Если ЭВМ установлена непосредственно на орудийной пло-
щадке, на перевозочных средствах или в служебных поме-
щениях, то наибольшую опасность для нее представляет удар-
ная волна —главная причина толчков и вибраций. Величинаz
вибраций и ударов, сообщаемых ударной волной, зависит ot('z
массы и площади поверхности ЭВМ. Чем больше масса и
меньше поверхность ЭВМ, тем эффект действия ударной волны
меньше, и, наоборот, чем меньше масса и больше площадь
поверхности ЭВМ, тем большим величинам вибрации и ударов
она подвергается.

Морские ЭВМ. Это ЭВМ, устанавливаемые на больших,
сравнительно тихоходных, и малых быстроходных судах и
подводных лодках, а также на орудийных площадках берего-
вой артиллерии. Характерные условия работы на таких
объектах— наличие вибраций, ударных нагрузок и морской
среды.

Вибрация на судне может быть вызвана работой винтов,
гребного вала, главного и вспомогательных двигателей и
гидродинамическими силами, возникающими при продвижении
судов по неспокойному морю. На малых судах вибрация
обусловлена главным образом работой двигателя и биением
волн о борт корабля, а на больших? судах — вращением винтов.
Диапазон частот вибраций сравнительно невелик и обычно
не превосходит 25 Гц. Амплитуда вибраций на кораблях
также невелика и зависит от места на борту.

На рис. 1.5, а, б схематически представлены соответственно
профили крейсера и быстроходного сторожевого катера, разде-
ленные по степени вибрации на участки.

На крейсере таких участков три: носовой, кормовой и основ-
ной. Кормовой участок (Ув длины корабля) подвергается виб-
рациям с частотой 0—25 Гц (максимальная амплитуда 25 мм
на частоте 2 Гц); носовой участок (1/ю длины корабля) —виб-
рациям с частотой, не превышающей 20 Гц (амплитуда 15 мм
на частотах ниже 5 Гц); основной участок — вибрациям с час-
тотой до 20 Гц (максимальная амплитуда 0,6 мм).

Рис. 1.5. Разделение контура корабля на участке с раз-
личными вибрационными характеристиками:
а — корабль с большим водоизмещением (крейсер); б— быстро-
ходный катер (сторожевой корабль)
Быстроходные сторожевые катера и другие мелкие суда
этого класса кораблей подвержены вибрациям с большей
частотой. Задний, кормовой, участок (% длины корабля) под-
вергается вибрациям с частотой 150 Гц (максимальная ампли-
туда 0,3 мм на частоте 10 Гц), остальная часть корабля —
вибрациям с частотой до 1000 Гц (максимальная амплитуда
0,15 мм на частоте 10 Гц).

Морская среда, окружающая ЭВМ, находящуюся на кораб-
лях, содержит большое количество различных активных ве-
ществ, постоянно действующих на ее работоспособность. По-
этому ЭВМ этого класса должны обладать высокой корро-
зионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брызгозащи-
щенностью.

На ЭВМ, установленные на орудийных площадках береговой
артиллерии, воздействуют такие же факторы, как и на ЭВМ,
находящиеся на сухопутных площадках. Дополнительный фак-
тор—наличие агрессивной атмосферы, защита от которой обя-
зательна для этого класса машин.

Бортовые ЭВМ. Это ЭВМ, устанавливаемые на борту
самолетов, ракет различных классов, искусственных спутников
Земли (ИСЗ), космических аппаратов. По общим характеристи-
кам бортовые ЭВМ в основном не отличаются от других
типов машин, однако имеют особенности, определяемые спе-
цификой требований к бортовой аппаратуре. По назначе-
нию бортовые ЭВМ —машины управляющие, работающие в
замкнутом контуре управления объектом. По виду исполь-
зования их разделяют на машины, устанавливаемые в бес-
пилотные (ракеты, ИСЗ) и пилотируемые объекты (самолеты,
космические корабли, орбитальные станции).

Машины, устанавливаемые в беспилотные объекты, заменяют
операторов на борту объекта и связаны со всем комплексом
технических средств объекта через систему датчиков и ис-
полнительных механизмов. Получая информацию от датчиков,
они ее обрабатывают и выдают соответствующие команды
исполнительным механизмам. Такие машины имеют небольшую
оперативную память и большую постоянную память (память
констант).

Машины, устанавливаемые в пилотируемые объекты, обла-
дают характеристиками как управляющих (например, при ра-
боте в системе «автопилот»), так и универсальных ЭВМ.
Последнее необходимо для решения задач, возникающих в
процессе полета объекта и требующих быстрого ответа. Ввод
задачи в машину осуществляется оператором. Такие машины
должны обладать сравнительно большим объемом ОП.

Конструктивно ЭВМ обеих групп практически не отлича-
ются друг от друга, так как к ним предъявляют одинаковые
Рис. 1.6. Место вычислительной аппаратуры в общей системе управ-
ления самолетом:

/ — панель управления; 2 —датчики и исполнительные механизмы (все зачер-
ненные на рисунке квадраты): 3 — ЭВМ; 4 — аппаратура системы «автопилот»

требования. Для машин второй группы характерно наличие
пульта управления.

На рис. 1.6 схематически представлено расположение основ-
ных узлов бортовой системы управления самолетом, в состав
которой входит управляющая вычислительная машина, оснащен-
ная пультом управления. На самолетах вычислительная аппа-
ратура, как правило, находится в фюзеляже. При этом на
нее могут воздействовать вибрационные нагрузки с частотой
до 200 Гц и ускорением до 10g. Амплитуда колебаний дости-
гает 10 мм. Близость к фюзеляжу участка самолета, содержащего
силовую установку (двигатели), увеличивает частоту вибраций до
500 Гц при амплитуде до 0,5 мм. Хвостовая часть самолета подвер-
жена воздействию вибрации с частотой до 150 Гц (ампли-
тудой до 2,5 мм). Аппаратура, установленная в самолетах,
подвергается также интенсивному воздействию акустического
шума и ударов. Величина шумов оценивается в 130—150 дБ
при частоте 50—10000 Гц.

Вычислительная аппаратура, находящаяся на борту ИСЗ и
космических аппаратов, является составной частью системы
управления движением этих объектов. Такая система управ-
ления призвана решать в основном задачи ориентации и ста-
билизации объекта в пространстве и наведения (навигации)
его при перемещении в космическом пространстве, выхода
на околопланетные орбиты, маневрирования с целью сбли-
жения с другим объектом или при посадке на поверхность
планёт. На рис. 1.7 приведена схема системы управления
пилотируемого космического корабля, в которой основное
связующее, анализирующее и управляющее звено — микро-
электронная вычислительная машина. Этот класс ЭВМ в про-
Рис. 1.7. Схема системы управления пилотируемого косми-
ческого аппарата:

/ — сканирующий телескоп; 2 —датчик направления; 3 — датчик опор-
ного светила; 4 — датчик вращения; 5 —датчик линейных перемеще-
ний; 6. 7 — согласующие устройства; 8 — командное устройство; 9 —
инерциальный измерительный блок; 10 — пульт управления; // — вспо-
могательные двигатели ориентации; /2 — командно-телеметрическая
система; 13 — блоки гироскопов и акселерометров системы ориентации;
14 — преобразователь данных; /5—индикатор положения; 16 — блок
скоростных гироскопов; /7—ввод данных в систему телеконтроля;
18 — индикатор приращения скорости; /9 —датчик продольных ускоре-
ний; 20 —маршевый двигатель; 21 — датчик отклонения маршевого
двигателя

цессе свободного полета (при неработающих двигателях) прак-
тически не подвергается воздействию механических нагрузок.
Однако при транспортировке на орбиту или при работе дви-
гателей воздействие механических факторов становится значи-
тельным и их надо учитывать при разработке конструкции.

Вычислительная аппаратура, устанавливаемая на борту ракет
различных классов и назначения, находится в наиболее не-
благоприятных условиях с точки зрения воздействия вибраций,
ударов и ускорений.

Вибрации ракет в полете носят очень сложный характер,
определяемый совместным воздействием работающего ракет-
ного двигателя и аэродинамических эффектов. Характер вибра-
ции обычно беспорядочный, и поэтому она охватывает ши-
рокий диапазон частот. Например, мощные ракетные двига-
тели, работающие на жидком топливе, имеют частотный
диапазон вибраций в несколько сотен герц. С уменьшением
мощности двигателя частота вибраций увеличивается и может
доходить до нескольких тысяч герц. Поэтому на вычисли-
тельную аппаратуру, установленную, например, на борту ИСЗ,
при доставке на орбиту воздействие вибраций происходит
на всем диапазоне частот. Наибольшее воздействие оказывают
вибрации двигателей малых ракет на твердом топливе, а
также больших двигателей на жидком топливе. Частота виб-
раций может достигать 2500 Гц при ускорениях до 20g. Ха-
рактер вибраций синусоидальный.

В момент запуска ракеты и при ее полете на бортовую
аппаратуру воздействует акустический шум, уровень которого
достигает 150 дБ (уровень акустического шума тем больше,
чем ближе аппаратура располагается к работающему двига-
телю), однако действие акустического шума на бортовую ап-
паратуру меньше, чем на аппаратуру, устанавливаемую, на-
пример, в колесном или железнодорожном транспорте. Акус-
тический шум в малых ракетах в момент старта максима-
лен.

Ускорение, развиваемое двигателем больших ракет на жид-
ком топливе, обычно не превышает 15g. Максимальные уско-
рения ракет, находящихся на управляемой орбите, не превы-
шают 10g, а малых ракет на твердом топливе —50g. Атмо-
сферное давление в негерметизированной аппаратуре в про-
цессе движения ракеты изменяется от нормального до прак-
тически нулевого значения. Большим изменениям подверга-
ются окружающая температура, содержание влаги и вредных
веществ в атмосфере.

Портативные ЭВМ. Группа ЭВМ, занимающая промежуточ-
ное положение между транспортируемыми и стационарными
ЭВМ, — портативные ЭВМ. Их транспортировку осуществляет
человек. Появление этой группы ЭВМ явилось результатом
широкого внедрения больших интегральных схем (БИС) в
аппаратуростроение.

Самым массовым представителем портативных ЭВМ являет-
ся микрокалькулятор. Небольшие габариты, малая мощность
потребления, высокая надежность и сравнительно небольшая
стоимость делают его незаменимым для проведения расчетов,
не требующих программирования.

К портативным ЭВМ следует отнести и «простейшие» по
выполняемым функциям вычислители и контроллеры, управ-
ляющие работой бытовой техники, звукозаписывающей и звуко-
воспроизводящей аппаратуры, различной степени сложности
«интеллектуальных» игр.

Условия работы портативной ЭВМ должны соответствовать
зоне комфорта для человека, которая характеризуется темпе-
ратурой окружающей среды 18—24°С (291—297 К), уровнем
акустического шума 70—85 дБ, влажностью 20—90% и высотой
над уровнем моря до 3000 м. Если температура становится
меньше -17°С (256 К) или больше 43,5°С (316,5 К), уровень
шума 120 дБ, влажность меньше 1%, а высота над уровнем
моря больше 6000 м, то считается, что такие условия пре-
вышают физиологические возможности человека и он может
в них существовать единицы или десятки минут.

Физические возможности человека ограничивают макси-
мально допустимой массой переносимой им аппаратуры. С этой
точки зрения портативная аппаратура делится на легкую (до
29 Н для мужчин и до 16 Н для женщин), среднюю (со-
ответственно до 147 Н и до 80 Н) и тяжелую (до 390 Н
и до 216 Н).

На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация
частотой до 20 Гц с ускорением до 2g и удары до 10g при
длительности 5—10 мс.

По совокупности значений климатических,
механических и радиационных факторов стацио-
нарные и транспортируемые ЭВМ делятся на следующие
группы:

группа • 1 — стационарные ЭВМ и системы, работающие
в отапливаемых наземных и подземных сооружениях;

группа 2 — стационарные ЭВМ и системы, работающие
на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и под-
земных сооружениях;

группа 3 — транспортируемые (возимые), установленные в
автомобилях, мотоциклах, в сельскохозяйственной, дорожной
и строительной технике и работающие на ходу;

группа 4 —возимые, установленные во внутренних поме-
щениях речных судов и работающие на ходу;

группа 5 — транспортируемые (возимые), установленные в
подвижных железнодорожных объектах и работающие на ходу;

группа 6 — транспортируемые и портативные, предназна-
ченные для длительной переноски людьми на открытом воз-
духе или в неотапливаемых наземных и подземных соору-
жениях; работающие и не работающие на ходу;

группа 7 —портативные, предназначенные для длительной
переноски людьми на открытом воздухе или в отапливаемых
наземных и подземных сооружениях, работающие на ходу.
Каждой из групп аппаратуры соответствует совокупность кли-
матических и механических факторов (табл. 1.3), которой она
должна соответствовать.

§ 1.3

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ ЭВМ И СИСТЕМ

Вновь разрабатываемая ЭВМ должна отвечать тактико-тех-
ническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным,
надежностным и экономическим требованиям. Все эти требо-
вания взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение пред-
ставляет собой сложную инженерную задачу.
Воздействующие на ЭВМ (систему) факторы	Параметры
Климатические:	
изменение тем-	Пониженная темпе-
пературы окру-	ратура, °C
жающей среды	I степень  II степень  Время выдержки, ч  Повышенная темпе- ратура, °C  Время выдержки, ч
повышенная влаж-	Относительная влаж-
ность	ность, % Температура, °C I степень II степень  Время выдержки, ч
пониженная темпе-	
ратура, °C	Предельная I степень II степень  Рабочая I степень II степень
повышенная тем-	
пература, °C	Рабочая  Предельная
атмосферные осадки	Температура, °C Время выдержки, ч
пониженное дав-	Температура, °C
ление	Давление, Па
	Время выдержки, ч
Таблица 13

Группа ЭВМ (систем)						
1	2	3	4	5	6	7
		-40	-40	-40	-40	-40
—	—	-50	-50	-50	-50	-50
—	—	2—6	2—6	2—6	2—6	2—6
—	—	60	60	60	60	60
—	—	2—6	2—6	2—6	2—6	2—6
80	93	93	93	93	93	80
25	25	25	25	25	25	25
25	40	40	40	40	40	25
48	72	72	72	72	72	48
-40	-40	-40	-40	-40	-40	-40
-50	-50	-50	-50	-50	-50	-50
5	-10	-25	-10	-25	-10	5
5	-25	-40	-10	-40	-25	-10
40	50	50	50	50	50	40
55	60	60	60	60	60	55
—	-10	-160	-10	-10	-10	—
—	2—6	2—6	2—6	2—6	2—6	—
-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10
6,1 • 10*	6,1 • 10*	6,1 • 10*	6,1 • 10*	6,1 • 10*	6,1 • 10*	6,1 • 10*
2—6	2—6	2—6	2—6	2—6	2—6	2—6
герметичность
атмосферные осадки

воздействие пыли

морской туман

Механические:

вибрация на одной

частоте

вибрации в диапазоне
частот

удары одиночные

удары многократные

падение

Глубина погружения, м
Время выдержки, ч
Интенсивность дождя,
мм/мин

Время выдержки, ч
Скорость потока, м/с
Время выдержки, ч
Температура, °C
Содержание воды, i/m3
Время выдержки, ч

Частота, Гц
Ускорение, g
Время выдержки, ч
Диапазон частот, Гц
Ускорение,g
Время выдержки, ч
Длительность, мс
Число ударов в 1 мин
Ускорение,g
Общее число ударов
Длительность, мс
Число ударов в мин
Ускорение, g
Общее число ударов
Высота, мм
Число падений
—	—	—	—	-0,5	—
—	—	—	—	1	—
3	3	3	3	3	3
0,33	0,33	0,33	0,33	0,33	0,33
10	10	—	10	10	—
1	1	—	1	1	—
27	27	27	27	27	27
2-3	2-3	2-3	2-3	2-3	2-3
48 .	48	48	48	48	48
20	20	20	20	20	20
2	2	2	2	2	2
0,5	0,5	0,5 .	0,5	0,5	0,5
—	10-70	10—30	10-70	10-70	10-30
—	0,8-3,8	0,25-1,1	0,8-3,8	0,8-3,8	0,25-1,1
—	12	4	12	12	4
—	5-10	5—10	5-10	5-10	—
—	40-80	40-80	40-80	40-80	—
—	15	15	15	10	—
—	60	60	60	60	—
—	5-10	5-10	5-10	5-10	5-10
—•	40-80	40-80	40-80	40-80	40-80
—	15	15	25	10	10
—	12000	12000	12000	6000	6000
—	—	—	—	750	500
—	—	—	—	11	И
Тактико-технические требования. Эти требования обычно
содержатся в техническом задании на машину и включают
в себя такие характеристики, как быстродействие, объем опе-
ративной, постоянной и внешней памяти, адресность команд,
разрядность машинного числа, точность выполнения операций
и т. д. В основном данные требования удовлетворяются на
ранних этапах разработки ЭВМ, когда определяются состав
машины, ее структура, математическое обеспечение, основные
требования к отдельным устройствам.

Конструктивно-технологические требования. К этим требо-
ваниям относят: обеспечение функционально-узлового принципа
построения конструкции ЭВМ, технологичность, минимальную
номенклатуру комплектующих изделий, минимальные габариты
и массу, предусмотрение мер защиты от воздействия клима-
тических и механических факторов, ремонтоспособность.

Функционально-узловой принцип конструирования исполь-
зуется для машин третьего и последующего поколений. Он
заключается в разбиении принципиальной схемы вычислитель-
ной машины на такие функционально законченные узлы, ко-
торые могут быть выполнены в виде идентичных конструк-
тивно-технологических единиц. Применение этого принципа
конструирования позволяет автоматизировать процессы изго-
товления и контроля конструктивных единиц и упростить их
сборку, наладку и ремонт. Понятие технологичности включает
в себя большое число положений и правил, определяемых
возможностями предприятия-изготовителя ЭВМ и влияющих
на эффективность ее производства и эксплуатации. Вычисли-
тельная машина, технологичная для одного предприятия, может
оказаться нетехнологичной для другого. Причины этого —не-
равномерный уровень развития предприятий, различие в их
технической оснащенности, уровне и культуре производства.
Если предприятие оснащено первоклассным оборудованием,
применяет передовые технологические процессы и новейшие
достижения науки и техники, равномерно выполняет плано-
вые задания, то практически любая вычислительная аппара-
тура может быть освоена им в короткий срок и с высоким
качеством. Неравномерный уровень развития предприятий при-
вел к необходимости при установлении предприятия-разработ-
чика ЭВМ определять одно или несколько предприятий-из-
готовителей машины. Поэтому специалистам-разработчикам
необходимо так проектировать конструкцию машины, чтобы
она отвечала уровню развития предприятия-изготовителя и
обеспечила бы минимальные сроки ее освоения в произ-
водстве.

Понятие технологичности тесно связано с понятием эко-
номичности воспроизведения в условиях производства. Наибо-
лее технологичные конструкции, как правило, и наиболее
экономичны не только с точки зрения затрат материальных
ресурсов и рабочей силы, но и с точки зрения сокращения,
сроков освоения в производстве.

Технологичность конструкции ЭВМ и системы в сущест-
венной степени определяется рациональным выбором ее струк-
туры, которая должна быть разработана с учетом автономного,
раздельного изготовления и наладки ее основных элементов,
узлов, блоков. Конструкция ЭВМ тем более технологична, чем
меньше доводочных и регулировочных операций приходится
выполнять после ее окончательной сборки.

В технологичной конструкции максимально используются
взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность,
инструментальная доступность элементов и узлов.

В технологичной конструкции должны максимально ис-
пользоваться унифицированные, нормализованные и стандарт-
ные детали и материалы. Необходимость разработки новых
материалов с улучшенными свойствами или новых техноло-
гических процессов определяется технико-экономическим эффек-
том их использования в данной ЭВМ. Машина считается
также более технологичной, если в ней предусматривается
минимальная номенклатура комплектующих изделий, материа-
лов, полуфабрикатов.

Конструкция ЭВМ должна иметь минимальные габариты
и массу, что особенно важно для бортовой аппаратуры, где
ее объем и масса ограничиваются размерами и мощностью
летательного аппарата.

В конструкции ЭВМ и системы необходимо предусматри-
вать меры защиты от . воздействия климатических и механи-
ческих факторов, состав и значение которых определяются
объектом, где будет эксплуатироваться разрабатываемая ЭВМ.

Важная характеристика конструкции ЭВМ и системы—ре-
монтоспособность — качество конструкции к восстановлению
работоспособности и поддержанию заданной долговечности.
Для повышения ремонтоспособности в конструкции ЭВМ пре-
дусматривают: а) доступность ко всем конструктивным эле-
ментам для осмотра и замены без предварительного удаления
Других элементов; б) наличие контрольных точек для под-
соединения измерительной аппаратуры при настройке и контроле
за работой машины; в) применение быстросъемных фиксаторов
и т. д. Конструкция ЭВМ тем ремонтоспособнее, чем мень-
шую конструктивную единицу она позволяет оперативно за-
менять.

Эксплуатационные требования. К эксплуатационным требо-
ваниям относят: простоту управления и обслуживания, пре-
дусмотрение различных мер сигнализации опасных режимов
работы (выход из строя, открывание дверей шкафов, обрыв
заземления и т. д.), наличие в комплекте машины аппаратуры,
обеспечивающей профилактический контроль и наладку кон-
структивных элементов (стенды, имитаторы сигналов и т. д.).
С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования
обеспечения нормальной работы оператора: организация его
рабочего места, возможность подхода ко всем устройствам
машины, безопасная работа при отладке и ремонте. Важна
также такая организация пульта управления ЭВМ, которая бы
отвечала современным эргономическим требованиям и требо-
ваниям инженерной психологии.

Требования по надежности. Данные требования включают
в себя обеспечение вероятности безотказной работы, наработки
на отказ, среднего времени восстановления работоспособности,
долговечности, сохраняемости. Вероятность безотказной работы
ЭВМ есть вероятность того, что в заданном интервале времени
при заданных режимах и условиях работы в машине не
произойдет ни одного отказа. Наработкой на отказ ЭВМ'
называют среднюю продолжительность ее работы между от-
казами. Среднее время восстановления работоспособности ЭВМ
определяет среднее время на обнаружение и устранение одного
отказа. Эта характеристика надежности является также важным
эксплуатационным параметром. Долговечностью ЭВМ называют
продолжительность ее работы до полного износа с необхо-
димыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.
Под полным износом при' этом понимают состояние машины,
не позволяющее ее дальнейшую эксплуатацию. Сохраняемость
ЭВМ—ее способность сохранять все технические характерис-
тики после заданного срока хранения и транспортирования
в определенных условиях.

Экономические требования. К экономическим требованиям
относят: минимально возможные затраты времени, труда и
материальных средств на разработку, изготовление и эксплуа-
тацию ЭВМ; минимальную стоимость машины после освоения
ее в производстве. Стоимость вычислительной машины, серийно
выпускаемой предприятием-изготовителем, определяется затра-
тами труда и материальных средств, вкладываемых в машину
при ее изготовлении. Анализ составляющих стоимости ЭВМ
первого и второго поколений показал следующие процентные
соотношения основных калькуляционных статей (отпускная
цена машины принята за 100%): сырье и основные материа-
лы—3,2; комплектующие изделия и полуфабрикаты —35,5;
основная заработная плата производственных рабочих —16,2;
цеховые расходы—21,6; общезаводские расходы —14,2; внепро-
изводственные расходы —4,7. Для машин третьего и последую-
щих поколений при установившемся производстве процентное
соотношение калькуляционных статей не намного отличается
от приведенного. Разница может быть в увеличении долй
стоимости комплектующих изделий за счет уменьшения доли
основной заработной платы и цеховых расходов. Это связано,
с одной стороны, со все еще относительно большой стои-
мостью микросхем, а с другой —с возможностью большей
автоматизации производственных процессов при изготовлении
деталей и узлов на микроэлектронных элементах. '

Тесная связь предъявляемых к ЭВМ и системе требований
часто приводит к тому, что стремление максимально удовлет-
ворить одному из них ведет к необходимости снизить зна-
чение других. Так, желание увеличить надежность ЭВМ вве-
дением структурной избыточности неизбежно влечет за собой
увеличение габаритов, массы, мощности потребления, стои-
мости. Точная связь между такими взаимно противоречивыми
требованиями достаточно сложна и устанавливается статисти-
ческим анализом параметров разработанных и изготовляемых
ЭВМ.

Наиболее простое соотношение между различными требо-
ваниями может быть установлено исходя из типа, назначения
и характера эксплуатации проектируемой ЭВМ.

В табл. 1.4 приведены весовые коэффициенты требований,
устанавливаемых для универсальных, управляющих и порта-
тивных, бортовых и морских вычислительных машин. Мень-
шему числовому значению коэффициента соответствует боль-
шая значимость соответствующего требования.

. Таблица 1.4

Требования	Весовые коэффициенты требований для ЭВМ			
	универ- сальной	управ- ляющей	порта- тивной	бортовой
Максимальное быстро- действие	1	2	4	3
Высокая надежность	2	1	3	1
Низкая стоимость	3	2	1	4
Малое энергопотребление	3	4	2	1
Небольшие габариты, масса	3	2	2	1

Для большой универсальной ЭВМ наиболее важное тре-
бование-обеспечение максимального быстродействия, посколь-
ку оно в существенной степени определяет ее производи-
тельность; наименее важное требование —обеспечение неболь-
ших габаритов и массы.

Для управляющих (встраиваемых) ЭВМ наиболее важные
требования —высокая надежность и малая стоимость (при про-
изводстве большими сериями), наименее важное требование —
Мощность погребления.
Портативные ЭВМ, рассчитываемые для массового потреб-
ления, должны прежде всего иметь малую стоимость. Дости-
жение высокого быстродействия для этого класса машин —
не обязательное требование.

Бортовые ЭВМ, устанавливаемые на военные и гражданские
объекты, должны обладать высокой степенью надежности.
При этом стоимость машин в некоторых случаях не имеет
существенного значения. Применение ЭВМ в военной технике
накладывает на их конструкцию дополнительные жесткие
требования. Это связано с тем, что в условиях военных
действий жизнь экипажа самолета, танка или корабля, а также
успех целой операции могут зависеть от правильной, безот-
казной работы вычислительной аппаратуры. Использование ЭВМ
в ракетах стратегического и тактического назначения требует
их постоянной готовности к работе во всех климатических
зонах Земли и атмосфере. О ремонте вычислительной аппа-
ратуры в самолете, танке, управляемом снаряде, ракете, ИСЗ
не может быть и речи; здесь должна быть обеспечена воз-
можность быстрой замены вышедших из строя блоков запас-
ными. Поэтому основным требованием к ЭВМ, установленным
на военном объекте, является надежность. Не менее важные
требования — способность работать практически во всех извест-
ных условиях эксплуатации, ремонтоспособность, малые габа-
риты, масса, мощность потребления. Следовательно, стоимость
ЭВМ военного применения по сравнению с машиной с анало-
гичными характеристиками, используемой на гражданских объ-
ектах, выше.

§ 1.4

ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ЭВМ И СИСТЕМ

Конструкция микроэлектронной вычислительной машины лю-
бого назначения может быть охарактеризована показателями,
отражающими в большей или меньшей мере ее потребитель-
ские качества. По этим показателям может быть проведена
сравнительная оценка в случае необходимости выбора одного
типа ЭВМ из ряда, предлагаемого промышленностью. К таким
показателям прежде всего следует отнести:

1.	Сложность конструкции ЭВМ

Сэвм =^1(^2Аэ + ^зЛ4с),	(1.1)

где N3 — число составляющих ЭВМ элементов; Мс — число со-
единений; ку и к2, к3 — коэффициенты масштабный и весовые.

Выражение (1.1) связывает число составляющих ЭВМ эле-
ментов (микросхем, полупроводниковых приборов, пассивных
компонентов, элементов коммутации) с числом разъемных и
неразъемных соединений между ними, что определяет массу,
габаритные размеры, надежность и другие общие параметры
ЭВМ.

2.	Число элементов, составляющих ЭВМ.

S па<

<=1

где Ny, кп, nty — соответственно число устройств ЭВМ, типов
элементов, элементов z-ro типа, входящих в у-е устройство.

3.	Объем ЭВМ

Улг4-Уме + Гн + Гут,	(1-2)

где VN— общий объем всех ИС, дм3; ¥мс~ объем соединений,
дм3; Йн —объем несущей конструкции, обеспечивающей проч-
ность и защиту ЭВМ, дм3; Иут — объем теплоотводящего уст-
ройства, дм3.

4.	Отношение qh=Vn/V характеризует степень использова-
ния физического объема ЭВМ элементами, несущими полезную
функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяю-
щими электрическую схему ЭВМ, и называется коэффициентом
интеграции или коэффициентом использования физического объема
(qH всегда меньше 1 и равен 1 в случае применения одно-
кристальной микро-ЭВМ).

5.	Общая масса ЭВМ определяется' суммой масс всех вхо-
дящих в ЭВМ устройств:

т = mN -|- mMQ + т„ -|- тут

(обозначения в индексах аналогичны обозначениям в (1.2)).

6.	Общая мощность потребления ЭВМ

р= £ Pi,

1=1

где р, — мощность потребления z-ro устройства.

Для цифровых устройств потребляемая ими мощность за-
висит от средней мощности потребления ИС. Известно, что
80—90% мощности потребления рассеивается в виде теплоты
и определяет тепловой режим ЭВМ и соответствующие пе-
регревы элементов конструкции.

7.	Общая площадь, занимаемая ЭВМ,

у,

<2= £ Qi,

1=1

где Qi — площадь, требуемая для эксплуатации z-ro устройства
ЭВМ, м2; Ny — число устройств, составляющих ЭВМ.

8.	Собственная частота колебаний конструкции

fo = [ 1 /(2л)] /k*/m ,

где кж~ коэффициент жесткости конструкции; т — масса кон-
струкции, кг.
Эффективность защиты конструкции ЭВМ от вибраций и
ударов оценивается:

для амортизированной аппаратуры — коэффициентами вибро-
и удароизоляции

у, = 1/[1— (f/fc)2], Y2 = nmax/nT3;

для неамортизированной аппаратуры — коэффициентами дина-
мичности на низких и высоких частотах внешних воздействий

Ин = (2л/о)гД /(n„g), Ив = 2л^о V/(nBg),

где ///0—соотношение вынужденной f и собственной частот
fQ конструкции; лтах — возможная максимальная перегрузка при
ударе; птз —предельно допустимая перегрузка при ударе (ука-
зывается в ТЗ); Л —допустимое значение максимального пере-
мещения, мм; г —допустимая скорость перемещения, мм/с;
g— ускорение свободного падения, мм/с2.

Для амортизированной аппаратуры следует как можно боль-
ше уменьшить собственную частоту, а для неамортизируемой,
наоборот, увеличивать, приближая ее к верхней границе возму-
щающих воздействий или превышая ее.

9.	Степень герметичности конструкции, определяемая исте-
чением газа из определенного объема блока за известный отрезок
времени,

О==У0ДР/тс.1>

где Иб— объем блока, дм3; ДР— избыточное давление газа в блоке,
Па; Тел— срок службы блока, с.

10.	Вероятность безотказной работы ЭВМ —параметр, опреде-
ляющий надежность ЭВМ.

Перечисленные показатели конструкции ЭВМ определяются в
основном элементной базой, на которой строится машина. В табл.
1.5 приведены в относительных единицах значения некоторых из
показателей для четырех поколений ЭВМ.

Таблица 1.5

Поко- ления ЭВМ	Элементная база	Объем	Число элементов	Надежность	Мощность потребления
I	Электровакуумные приборы	(24-10) • 103	103-105	(84-10) • 102	(54-10) • Юз
II	Полупроводнико- вые приборы	400-1000	Юз-105	30-50	30-50
III	ИС	5-10	20-50	5-15	5-10
IV	БИС  (микропроцессоры  и др.)	1	1	1	1
Задания для самопроверки

1.	Какие факторы входят в группу механических воздействий?

2.	Какие факторы входят в группу климатических воздействий?

3.	Какие факторы входят в группу радиационных воздействий?

4.	Как влияет невесомость на зафиксированные на земле механические
узлы и блоки?

5.	Как влияют радиационные факторы на механические свойства конструк-
ционных материалов?

6.	Какие внешние воздействия характерны для аппаратуры, установленной
на орудийной площадке береговой артиллерии?

7.	Что включает в себя понятие «технологичность»?

8.	Какие эргономические и эстетические требования предъявляются к
конструкции микрокалькулятора?

9.	Каким требованиям должна отвечать конструкция встраиваемой
микро-ЭВМ?

10.	Как изменяется значение коэффициента иинтеграции для различных
поколений ЭВМ?

11.	Какими показателями может быть охарактеризована конструкция ЭВМ
и системы?
ГЛАВА 2

РАЗРАБОТКА ЭВМ И СИСТЕМ

Разработка ЭВМ и систем — сложный комплекс теоретических, схемотех-
нических, проектно-конструкторских, технологических и производственных
работ, приводящих в конечном итоге к выпуску машины, отвечающей задан-
ным тактико-техническим требованиям. Процесс разработки ЭВМ не имеет пока
всеохватывающей математической базы и ведется методом многочисленных
проб и последовательных приближений. Последовательность этапов разработки
ЭВМ и стадий выпуска конструкторской документации определяется Госу-
дарственными стандартами. При разработке ЭВМ выпускают большое коли-
чество технической документации (конструкторской и технологической), со-
став которой также определяется Государственными стандартами. '

§ 2.1

ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

В настоящее время в СССР действует Единая система кон-
структорской документации (ЕСКД) — система Государственных
стандартов, которые устанавливают правила и положения по
порядку разработки, оформления и обращения технической доку-
ментации, разрабатываемой и применяемой предприятиями и
организациями Советского Союза. Применение ЕСКД при раз-
работке того или иного вида продукции (в том числе ЭВМ) обес-
печивает: а) возможность взаимообмена техническими документа-
ми между различными предприятиями внутри страны и между
государствами — членами СЭВ без их переоформления; б) со-
кращение типов и упрощение форм технических документов и
графических изображений, снижающих трудоемкость проекти-
рования; в) механизацию и автоматизацию обработки техниче-
ских документов и содержащейся в ней информации.

Требования стандартов ЕСКД распространяются на все виды
конструкторской документации и научно-техническую литера-
туру. ЕСКД — своего рода язык конструктора, и его должен знать
и умело применять разработчик любого вида изделий. Несоблю-
дение стандартов ЕСКД запрещается законом.

Изделие— любой предмет или набор предметов производства,
подлежащих изготовлению на предприятии. Различают изделия
основного производства, предназначенные для поставки (реализа-
ции), и изделия вспомогательного производства, предназначенные
для собственного потребления предприятием-изготовителем.

Деталь — изделие, не имеющее составных частей и изготов-
ленное из однородного по наименованию и марке материала без
применения сборочных операций. К деталям относят также
изделия, изготовляемые с применением местной сварки, пайки,
склеивания и т. д. Пример деталей: печатная плата, ферритовый
сердечник, лепесток разъема, держатель транзистора и т. д.
Сборочная единица— изделие, составные части которого под-
лежат соединению между собой на предприятии-изготовителе
сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой,
сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склейкой, сшивкой
и т. п.). Пример сборочных единиц: ячейка, матрица запоминаю-
щего устройства, микросхема, разъем и т. д. К сборочным еди-
ницам также относят: а) изделия, конструкция которых выполнена
в виде, позволяющем разбирать их на составные части для
удобства упаковки, транспортирования и т. д.; б) совокупность
изделий, имеющих общее функциональное назначение и совмест-
но монтируемых в другой сборочной единице; в) совокупность
изделий, имеющих общее функциональное назначение, совмест-
но уложенных в тот или иной вид упаковки и предназначенных
для использования совместно с другими упакованными изде-
лиями.

Комплекс— изделие, составленное из двух (или более) сбороч-
ных единиц, не соединенных на предприятии-изготовителе
сборочными операциями, но предназначенных для выполнения
взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое из изде-
лий, входящих в комплекс, может служить как для выполнения
одной или нескольких основных функций, так и для выполнения
вспомогательных функций. В первом случае примером комплекса
является система, состоящая из ЭВМ, входных и выходных
устройств, изготовляемых на специализированных предприятиях-
изготовителях и стыкующихся с остальными устройствами
машины только на месте эксплуатации. Во втором случае в ком-
плекс могут входить, например, детали и сборочные единицы,
предназначенные для монтажа, ремонта и эксплуатации ЭВМ по
месту установки: комплект запасных частей, укладочных средств,
испытательной аппаратуры, тары и т. д.

Комплект—два (или более) изделия, не соединенных на пред-
приятии-изготовителе сборочными операциями, но имеющих
общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера.
К комплектам относят также деталь или сборочную единицу,
поставляемую вместе с набором других деталей или сборочных
единиц, предназначенных для выполнения вспомогательных
функций при эксплуатации этой детали или сборочной единицы
(например, осциллограф в комплекте с укладочной тарой,
запасными частями, монтажным инструментом, сменными час-
тями).

Неспецифицированные изделия — детали, не имеющие составных
частей.

Специфицированные узделуя—сборочные единицы, комплексы,
комплекты, имеющие в своем составе две (или более) составные
части.

Покупные изделия — изделия, не изготовляемые на данном Пред-
приятии, а получаемые им в готовом виде.
§ 2.2

ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ЭВМ И СИСТЕМ

Государственные стандарты устанавливают следующие этапы
разработай конструкторской документации на изделия всех отрас-
лей промышленности, в том числе и на ЭВМ и систему:

техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение,
тактико-технические характеристики, показатели качества и тех-
нико-экономические требования, предъявляемые к разрабатывае-
мому изделию;

техническое предложение— совокупность конструкторских до-
кументов, содержащих техническое и технико-экономическое
обоснование целесообразности разработки изделия на основании
анализа технического задания заказчика и различных вариантов
возможной реализации изделия, сравнительной оценки решений
с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей раз-
рабатываемого и существующих изделий, а также патентных
материалов;

эскизный проект — совокупность конструкторских документов,
содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие
общее представление об устройстве и принципе действия изде-
лия, а также данные, определяющие назначение и основные
параметры разрабатываемого изделия;

технический проект — совокупность конструкторских докумен-
тов, содержащих окончательные технические решения, дающие
полное представление об устройстве разрабатываемого изделия,
и исходные данные для разработки рабочей документации;

разработка рабочей документации— совокупность конструк-
торских документов, предназначенных для изготовления и испы-
тания опытного образца (опытной партии) изделия.

Процесс разработки нового изделия состоит из двух этапов.

Этап 1 — научно-исследовательская разработка (НИР).
На этом этапе производится предварительная аналитическая и рас-
четная проработка изделия. Результат НИР — научно-технический
отчет, содержащий выводы о новых принципах построения из-
делия, научно обоснованный подход к реализации этих принци-
пов, анализ проведенных исследований. НИР может дать отрица-
тельный результат, показывающий, что на современном уровне
развития науки и техники реализация поставленной задачи не-
возможна или преждевременна.

Этап 2 — опытно-конструкторская разработка (ОКР). Работа
на этом этапе основывается на результатах НИР и является
процессом инженерного воплощения теоретических результатов,
полученных на этапе НИР, в схему и конструкцию изделия.
На этапе ОКР на первый план выступают экономические задачи,
так как именно здесь формируются основные параметры изделия,
влияющие как на его стоимость, так и на длительность и стой-
мость его разработки. Во
время выполнения ОКР про-
изводится теоретическое,
расчетное и эксперимен-
тальное исследование реа-
лизованных в изделии идей.
ОКР заканчивается выпус-
ком полного комплекта тех-
нической документации на
изделие, изготовлением и
испытанием его опытного
образца (или опытной пар-
тии).

Научно - исследователь-
ская разработка включает в
себя стадии разработки тех-
нического задания и техни-
ческого предложения, а
ОКР — эскизное и техни-
ческое проектирование, а
также стадию разработки
рабочей документации. В за-
висимости от степени про-
работанности НИР и сте-
пени новизны разрабатыва-
емого изделия стадия эскиз-
ного проектирования в ОКР
может быть опущена.

В соответствии со всем
вышеизложенным опреде-
лим этапы разработки ЭВМ,
последовательность выпол-
нения которых представ-
лена на рис. 2.1.

Этап 1 — подготови-
тельный. На этом этапе
производятся изучение за-
дач, для решения которых
предназначена данная ЭВМ,
и анализ существующих
конструкций машин, обсуж-
даются достижения в смеж-

Рис. 2.1. Этапы разработки ЭВМ

ных областях науки и техники и новые принципы. Такой
анализ позволяет ориентировочно определить технические ха-
рактеристики будущей машины.

Этап 2 —разработка ТЗ. Оно должно содержать основное
назначение, технические и тактико-технические характеристики
(быстродействие, разрядность, объем памяти и т. д.), показатели
качества и технико-экономические требования, предъявляемые
к разрабатываемой ЭВМ, выполнение необходимых стадий разра-
ботки конструкторской документации и ее состав, а также спе-
циальные, конструктивные, технологические, эксплуатационные
требования и требования по надежности. В ТЗ указываются пред-
приятие-заказчик и предприятие-разработчик ЭВМ. Взаимоотно-
шения между ними регламентируются договором —юридическим
документом, определяющим взаимоотношения на различных
этапах разработки. В договоре определяются взаимные обязатель-
ства сторон, их ответственность в случае нарушения отдельных
его пунктов, сроки выполнения работ и источники финансирова-
ния. Кроме ТЗ к договору прилагают сметную калькуляцию работ,
в которой общая сумма расхода разбивается по статьям: сырье и
основные материалы, покупные комплектующие изделия и полу-
фабрикаты; зарплата работникам НИИ и рабочим опытного про-
изводства, отчисления на капитальные вложения, финансирова-
ние сторонних организаций и т. д. В договоре указываются
объем и сроки выполнения каждого из этапов работ, за которые
предприятие-разработчик отчитывается перед предприятием-
заказчиком. Все спорные вопросы, возникающие между разработ-
чиком и заказчиком, разрешаются Государственной арбитражной
комиссией.

Составление ТЗ обычно ведется заказчиком совместно с раз-
работчиком-исполнителем, для того чтобы требования к ЭВМ,
зафиксированные в ТЗ, являлись практически выполнимыми.
Если заказчик не знает конкретного исполнителя, то он состав-
ляет проект ТЗ и рассылает его в организации, занимающиеся
разработкой вычислительной аппаратуры, и просит рассмотреть
возможность реализации проекта в практической разработке.

Согласование ТЗ начинается после того, как определился
конкретный исполнитель или исполнители. Процесс согласования
состоит в том, что исполнитель после получения проекта ТЗ
исследует возможность его реализации как с технической точки
зрения, так и в указанные заказчиком сроки. При этом испол-
нитель обобщает опыт предшествующих разработок, а также
опыт родственных организаций, оценивает возможности своего
предприятия, проводит подбор и изучение отечественной и ино-
странной научно-технической литературы, патентов и авторских
свидетельств. Наряду с этим исполнитель предварительно прора-
батывает построения блоков и узлов ЭВМ и делает вывод о прин-
ципиальной возможности выполнения ТЗ. В процессе предвари-
тельной проработки заказчику от разработчика может быть выдан
ряд замечаний по отдельным пунктам технических требований
или предложены свои формулировки этих пунктов. Если после
принятия соответствующих уточнений и изменений договари-
вающиеся стороны приходят к единому мнению о практической
выполнимости требований, указанных в ТЗ, согласование счита-
ется законченным.

Утверждение ТЗ происходит после его согласования. При ут-
верждении ТЗ подписывают представители и руководители орга-
низаций заказчика и разработчика. После подписания ТЗ стано-
вится официальным документом, в соответствии с которым
выполняется разработка ЭВМ или системы. В случае необходимо-
сти исполнителем проводится корректировка ТЗ, иногда требую-
щаяся по результатам выполнения эскизного и технического
проектирования (на рис. 2.1 обратные связи справа и слева).
При конкретном проектировании может оказаться, что некоторые
требования ТЗ надо изменить.

Заказчик в процессе разработки также может вносить измене-
ния в ТЗ, не приводящие к существенным изменениям в уже
проделанной работе. Корректировка проводится по взаимному
согласованию между заказчиком и исполнителем.

Этапы 3, 4 — техническое предложение. На этих этапах раз-
рабатывается совокупность конструкторских документов, в кото-
рых отображаются различные варианты конструктивного и схем-
ного построения разрабатываемой ЭВМ и дается сравнительная
оценка этих вариантов между собой и с аналогами отечественного
и зарубежного исполнения. Частично эти вопросы уже должны
быть рассмотрены в процессе согласования ТЗ. На этапе 3 разра-
ботчиком производится выбор основных комплектующих изде-
лий, обеспечивающих выполнение требований ТЗ. Сюда отно-
сится выбор элементной базы, носителя информации, оператив-
ной и внешней памяти и т. д. Большое внимание на стадии
технического предложения уделяют анализу алгоритмов, опреде-
ляющих логическую структуру ЭВМ, последовательность выпол-
нения логических и арифметических операций.

Основное в техническом предложении — построение общей
структурной схемы ЭВМ, из которой должна быть ясна картина
взаимодействия всех основных узлов и блоков вычислительной
машины. Здесь необходимо решение таких вопросов, как выбор
типа устройства управления (например, микропрограммное или
схемное), арифметического устройства, иерархии запоминающих
Устройств и метода обращения к ним. Всем конструкторским
Документам, выпускаемым на стадии технического предложения,
присваивается литера «П».

Этапы 5—7 — эскизное проектирование. На этих этапах при-
нимаются принципиальные конструктивные и технические ре-
шения, которые отличаются от технического предложения более
Детальной проработкой устройств в соответствии с ТЗ. На стадии
эскизного проектирования проводятся разработка специальных
схем частного применения (например, для управления запоминаю-
щим устройством, устройством ввода —вывода и т. д.), испытание
разработанных схем, расчет и проверка рабочих режимов комплек-
тующих элементов, выполняется предварительный расчет надеж-
ности как отдельных узлов и блоков ЭВМ, так и изделий в целом.
В процессе проработки эскизного проекта, как правило, произ-
водится макетирование отдельных наиболее сложных узлов и
операционных блоков ЭВМ, а иногда и полностью целых уст-
ройств, таких, как процессор, устройство обмена, запоминающее
устройство и др. Всем конструкторским документам, выпускае-
мым на стадии эскизного проектирования, присваивается литера
«Э». По завершении эскизного проектирования разработчик
защищает эскизный проект перед заказчиком или заказчиками.
Если ЭВМ имеет относительно несложную структуру или явля-
ется модернизацией своей предыдущей модели, допускается
опустить этап эскизного проектирования и сразу перейти к техни-
ческому проекту.

Этапы 8—9 — техническое проектирование. На этих этапах
детально отрабатываются схемные и конструкторские решения,
выпускаются чертежи на все элементы, узлы, блоки и устройства
ЭВМ, прорабатываются вопросы защиты от механических, клима-
тических и радиационных воздействий, доступа при ремонте и
контроле, привязки к объекту установки и т. д., уточняются
вопросы технологии и стоимости, особенности предприятия-
изготовителя ЭВМ. Если разрабатываемая ЭВМ строится на
основе БИС, то на стадии технического проекта должно быть
проведено разбиение всей принципиальной схемы машины на
отдельные подсхемы, каждая из которых будет реализована в
виде БИС. Связанные с этим вопросы конструктивной и техноло-
гической проработки должны быть также закончены на этом
этапе. В процессе выполнения технического проекта необходимо
макетирование как отдельных узлов и устройств разрабатываемой
ЭВМ, так и всей машины в целом. Итог технического проекта —
макет ЭВМ, предъявляемый на испытания, и основная конструк;
торская документация, которой присваивается литера «Т». К кон-
структорской документации относят: сборочные чертежи всех
устройств с пояснительной запиской, полный комплект электри-
ческих схем, инструкции по эксплуатации, технический отчет.
В отчете приводятся все основные механические и электрические
расчеты, результаты исследований и испытаний. По результатам
технического проектирования может быть проведена корректи-
ровка ТЗ по согласованию с заказчиком.

Этапы 10—12 —изготовление, настройка и эксплуатация
опытного образца. После того как заказчик вынес положительное
решение по результатам технического проекта, разработчик при-
ступает к разработке рабочей документации, производя оконча-
тельную корректировку электрических схем и чертежей, выпуская
конструкторскую документацию, по которой производится выпуск
опытного образца ЭВМ. Конструкторской документации при-
сваивается литера «О».
В процессе изготовления ЭВМ проводятся приемосдаточные
испытания отдельных узлов и блоков, а после изготовления —
приемосдаточные испытания опытного образца (одного или
нескольких) по электрическим, механическим, климатическим и
другим требованиям. Испытания проводятся представителями
отдела технического контроля (ОТК) и представителями заказчи-
ка в соответствии с техническими условиями, которые состав-
ляются разработчиком на узлы, блоки и изделие в целом на основе
требовании ТЗ. Технические условия обязательно входят в состав
конструкторской документации, передаваемой на завод-изгото-
витель. По результатам опытной эксплуатации и государственных
испытаний проводится окончательная корректировка документа-
ции.

Этапы 13—14 —выпуск установочной серии. Откорректиро-
ванная техническая документация, выпущенная под литерой
«Oi», передается предприятием-разработчиком предприятию-из-
готовителю для выпуска установочной серии ЭВМ и запуска в
серийное (массовое) производство. Взаимоотношения между
разработчиком и заводом-изготовителем регламентируются дого-
вором, который заключается на период освоения ЭВМ в серийном
производстве. Разработчик при этом обязуется передать заводу-
изготовителю несколько комплектов копий конструкторской и
технологической документации, обучить представителей завода
процессам наладки и регулировки, новым технологическим про-
цессам и т. д. Для ускорения процесса запуска ЭВМ в производство
разработчик передает заводу-изготовителю образцы нестандарт-
ной технологической оснастки и приспособлений.

После выпуска и испытания установочной партии ЭВМ (или
головного образца для больших машин) разработчик передает
все оригиналы технической документации заводу-изготовителю,
который при необходимости перевыпускает ее, присваивая лите-
ру «А». По окончательно отработанной документации произво-
дится массовый (серийный) выпуск ЭВМ.

Этапы 15 и 16. В процессе эксплуатации и ремонта ЭВМ,
изготовленных в серийном (массовом) производстве, часто возни-
кает необходимость в корректировке функциональных, принципи-
альных, монтажных и других схем, конструкторской и технологи-
ческой документации или же ТЗ. Эти изменения вносятся в уста-
новленном порядке, и по откорректированной документации
производится изготовление опытного образца, его испытание в
полном объеме; в случае положительных результатов коррек-
тируется документация на заводе-изготовителе.

Указанные этапы необходимы для такого сложного изделия,
как ЭВМ, так как нельзя допустить ее запуск в серийное про-
изводство по первичной рабочей документации, которая всегда
содержит какие-то ошибки. Последние могут носить принципи-
альный характер из-за того, что разработчик, например, неверно
составил временную диаграмму выполнения какой-либо опера-
ции, не учел какого-то фактора в алгоритме той или иной
команды или допустил ошибку в принципиальной электрической
схеме или элементах конструкции. Хотя такого рода ошибки при
правильной организации разработки и достаточно высокой квали-
фикации разработчиков случаются достаточно редко, они
существенно влияют на затраты и время изготовления опытных
образцов ЭВМ. Основное количество ошибок (около 80—90%)
возникает от недостаточной внимательности и усталости разра-
ботчика и копировщика. Вследствие этого обнаруживаются, на-
пример, неверно указанные связи между контактами, приведение
не того типа микросхемы, ошибки при копировании документации
вследствие нечеткого написания букв и обозначений в оригинале
документа и т. п. Существенное уменьшение такого рода ошибок
достигается использованием автоматизированных с помощью
ЭВМ методов разработки и обработки технической документации.

§ 2.3

ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СЛОЖНЫХ БИС

Реализация различных типов контроллеров, микропроцессо-
ров и микро-ЭВМ в одном кристалле БИС изменила традицион-
ную систему взаимоотношений между создателями БИС и созда-
телями средств вычислительной техники. Это связано с тем, что
до появления особо сложных в функциональном отношении БИС
эти отношения в целом определялись как отношения между
поставщиком и потребителем БИС. При этом потребитель никак
не влиял на процесс деятельности поставщика. Возможность из-
готовления в кристаллах БИС микропроцессоров потребовала
привлечения к их созданию потребителя, так как только в этом
"лучае становится возможным методами микроэлектроники со-
>авать завершенные вычислительные устройства с заключенным
них «интеллектом»: микропрограммами, системами команд,
Языками программирования, записанными в ПЗУ или с помощью
Программируемых логических матриц (ПЛМ).

Для обеспечения разработки, производства и испытаний БИС
Предприятия электронной промышленности вынуждены решать
новые, не свойственные им проблемы, ранее решавшиеся пред-
приятиями аппаратуростроения. Например, разработка БИС в свя-
зи с ее высокой сложностью стала возможной только с приме-
знием средств автоматизации проектирования, поскольку этап
настройки аппаратуры, имевший место при ее построении на
Основе дискретных изделий электронной техники и микросхем
с малой степенью интеграции и обеспечивавший возможность
। ыявления и исправления всех ошибок разработчика и конструк-
3 ора, потерял смысл при разработке БИС — изменить что-либо в
Кристалле невозможно. Следовательно, появилась необходи-
Разработчик интег-
ральных схем



мость в созДании.мощных систем автоматизированного проекти-
рования с развитой периферией, обладающих производитель-
ностью в сотни тысяч операций в секунду и большой памятью.

Не меньше проблем возникает и при создании технологиче-
ского оборудования. Современная технология микроэлектроники
позволяет создавать БИС, содержащие до 4 • 107 координатных
точек на кристалле площадью 40—50 мм2. Для реализации таких
схем необходимо обеспечить получение ширины линии 0,5—
0,7 мкм, что невозможно при использовании традиционных ме-
тодов и оборудования. Следовательно, необходимо создание
нового сложного оборудования (например, электронно-лучевого).

Ни одна отрасль промышленности не требует такой высокой
чистоты исходных материалов, как микроэлектроника. Так, для
полупроводниковых пластин допускается дефектность не хуже
1 дефекта на 1 см2.

Много проблем связано с созданием контрольно-измеритель-
ной аппаратуры. Сложность БИС достигла такого уровня, когда
полный параметрический или функциональный контроль стано-
вится невозможным из-за большого его объема. Например, для
полного функционального
контроля микропроцессор-
ной БИС требуется 2аЬ тес-
тов, где а — разрядность,
b — число микрокоманд
микропроцессора (напри-
мер, для проверки схемы
К587ИК2 здебуется 2е52 тес-
тов). Выходом из сложив-
шейся ситуации является
частичный функциональ-
ный контроль. Его практи-
тическая реализация требу-
ет сложных систем для
разработки приемлемых по
объему и качеству провер-
ки БИС тестов, для непо-
средственного выполнения
тестового контроля. По объ-
ему аппаратуры и матема-
тического обеспечения та-
кую систему можно срав-
нить с ЭВМ ЕС-1030, но
с более высоким быстро-
действием.

Систему взаимоотноше-
ний между заказчиком (раз-
работчиком ЭВМ) и испол-

W////

«Ж

Разработка базовой технологии |

Разработка

\%6&affimKc('36effi
-----typ^aSoffia; mpnpmffl

।-----У'Рдз'Мйот

Х^азраряФМ тд.премдтиирдкаго, а^рпе.н,рн^/.

Рис. 2.2. Этапы разработки функциональ-
но сложных БИС
нителем (разработчиком БИС) при создании микропроцессоров,
однокристальных микро-ЭВМ и контроллеров можно предста-
вить в виде последовательности работ (этапов), выполняе-
мых заказчиком и исполнителем совместно или раздельно
(рис. 2.2).

Разработка и согласование технических требований (ТТ) на
БИС выполняются совместно заказчиком и исполнителем, но
основную работу при этом выполняет заказчик. Исполнитель
помогает заказчику выбрать соответствующую технологию и
определяет возможность реализации требований заказчика в
виде БИС.

Так как технический уровень изделия прежде всего определя-
ется архитектурными и схемотехническими решениями аппара-
туры, разработка карты технического уровня, необходимой для
определения целесообразности разработки изделия и перспектив
его применения, является задачей заказчика. Всю необходимую
для этого информацию со стороны исполнителя заказчик полу-
чает при разработке ТТ.

Разработка архитектурных и структурных решений в постро-
ении изделия выполняется также заказчиком. Исполнитель прин-
ципиально не может выполнить этих работ, так как он не знаком
с конкретной аппаратурой, частью которой должна являться БИС.
Перед исполнителем же стоят задачи, свойственные его специали-
зации, которые, кроме него, никто не сможет выполнить. Одной
из таких задач является разработка базовой технологии, которая
существенно изменяется с изменением степени интеграции
микросхем и многих других факторов. На этапе разработки
базовой технологии исполнитель изготовляет тестовые струк-
туры, на которых отрабатываются технологический процесс,
базовые ячейки и другие параметры, необходимые для разра-
ботки топологии БИС. Одновременно заказчик осуществляет
логическое моделирование (на ЭВМ) как БИС, так и изделия
на ее основе, после чего разрабатывает схемотехническую
документацию.

Одним из основных этапов в создании ИС с высоким уровнем
интеграции является разработка топологии, к которой приступают
после отработки базовой технологии и отладки с помощью
средств автоматизированного проектирования (САПР) функцио-
нальных и электрических схем. Следует отметить, что из-за вы-
сокой сложности БИС разработка схемотехнической документа-
ции и топологии ручным способом практически невозможна.
Однако если средствами САПР схемотехнической документации
заказчик располагает, то аналогичных средств для разработки
топологии у него, как правило, нет.

Средствами автоматизированного проектирования топологии
обладают предприятия электронной промышленности. Однако
разработка топологии без участия разработчика схемы изделия
практически невозможна. Следовательно, необходимо участие в
этой работе обеих сторон, что и отражено на рис. 2.2. Указанное
распределение работ не распространяется на случай, когда раз-
рабатывающее предприятие предлагает собственную идеологию
комплектов микросхем или когда характер разрабатываемых ими
средств вычислительной техники (ВТ) и радиоэлектронной аппа-
ратуры (РЭА) требует большого числа заказных БИС. Такие
предприятия должны разрабатывать топологию самостоятельно.
Обязанность исполнителя при этом — снабжать разрабатывающие
предприятия всей необходимой информацией, определяемой
принятой базовой технологией.

Результатом проектирования топологии является информация,
записанная на перфо- или магнитную ленту, которая используется
затем для изготовления фотошаблонов (ФШ). Изготовление ФШ —
один из важнейших этапов в создании БИС, требующий пре-
цизионного оборудования и высокого качества исходных мате-
риалов.

Заказчик должен обеспечить возможность измерений парамет-
ров и тестовой проверки работоспособности БИС. Это может
быть достигнуто двумя способами: 1) заказчик при разработке
БИС обеспечивает возможность ее проверки на стандартной изме-
рительной и тестовой аппаратуре, имеющейся у исполнителя;
2) заказчик, учитывая специализацию предприятий заказчика и
исполнителя, должен решить проблему разработки, изготовления
и обеспечения исполнителя тестовой и метрологической аппа-
ратурой в количестве, необходимом для серийного производства
микросхем.

Базовая технология, определяет общие характеристики про-
цесса изготовления БИС, а для изготовления конкретной БИС
требуется его уточнение, т. е. разработка конкретного процесса,
осуществляемая исполнителем.

Изготовление БИС, их контроль, испытания и освоение в се-
рийном производстве осуществляются исполнителем.

Поскольку основным разработчиком БИС, ее архитектуры,
структуры и схемотехники, является заказчик, он становится
ответственным за разработку всех эксплуатационных документов
и материалов по применению микросхем. Однако ряд требований
и рекомендаций, например требования к условиям эксплуатации,
заказчик не может сформулировать без участия исполнителя.
Поэтому разработка материалов по применению (рис. 2.2) явля-
ется совместной работой заказчика и исполнителя, хотя основной
ее исполнитель — заказчик.

В некоторых случаях разработке микросхемы сопутствует раз-
работка математического обеспечения (МО). Так как в МО реали-
зуются некоторые черты архитектурных принципов построения
изделия, разработку МО желательно возложить полностью на
заказчика.
Рассмотренные этапы разработки БИС носят очень обобщен-
ный характер, в каждом конкретном случае они должны уточ-
няться. Например, может оказаться целесообразным участие
исполнителя в разработке эксплуатационных документов, а заказ-
чика—в измерениях и испытаниях. Однако основные принципы
распределения обязанностей должны сохраняться.

Таким образом, в результате развития микроэлектроники
устанавливаются принципиально новые взаимоотношения между
разработчиками изделий электронной техники (ИЭТ) и средств
ВТ и РЭА. Разработчик и заказчик стандартных изделий из
независимых сторон превращаются в тесно сотрудничающие.
Практика показывает, что такой подход полностью себя оправ-
дывает, позволяет концентрировать силы и средства различных
отраслей промышленности на решении задачи развития народ-
ного хозяйства.

§ 2.4

КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

Виды конструкторских документов. Государственные стандар-
ты устанавливают виды и комплектность конструкторских доку-
ментов на изделия всех отраслей промышленности.

Конструкторские документы (КД) — документы, в отдельности
или в совокупности определяющие состав и устройство изделия
и содержащие необходимые данные для его разработки и изготов-
ления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

По форме представления КД разделяют на графиче-
ские и текстовые.

Графические конструкторские документы — документы, в ко-
торых с помощью установленных стандартом символов и правил
поясняются устройство, принцип действия, состав и связи между
отдельными частями изделия. К ним относят:

чертеж детали —изображение детали и данные, необходимые
для ее изготовления и контроля;

сборочный чертеж —изображение изделия и данные, необхо-
димые для его сборки (изготовления) и контроля;

чертеж общего вида—изображение конструкции изделия,
дающее представление о взаимодействии его основных частей и
принципе работы;

теоретический чертеж —геометрическая форма изделия и
координаты его основных частей;

габаритный чертеж —контурное (упрощенное) изображение
изделия с габаритными, установочными и присоединительными
размерами;

монтажный чертеж — контурное (упрощенное) изображение
изделия, содержащее данные для его установки (мон-
тажа);
схему —условные изображения или обозначения составных
частей изделия и связей между ними;

спецификацию — состав сборочной единицы, комплекса или
комплекта.

Текстовые конструкторские документы — документы, содержа-
щие описание устройства, принципа действия и эксплуатацион-
ных показателей изделия. К ним относят:

ведомость спецификаций —перечень всех спецификаций со-
ставных частей изделия с указанием их количества и входимости;

ведомость ссылочных документов —перечень ссылочных
документов, на которые имеются ссылки в конструкторских
документах изделия;

ведомость покупных изделий —перечень покупных изделий,
примененных в составе разрабатываемого изделия;

ведомость согласования применения изделий — подтвержде-
ние согласования с соответствующими организациями приме-
нения определенных покупных изделий в разрабатываемом
изделии;

ведомость держателей подлинников —перечень предприятий,
на которых хранятся подлинники документов, разработанных
для данного изделия;

ведомость технического предложения (эскизного, техниче-
ского проекта) —перечень документов, вошедших в техническое
предложение (эскизный, технический проект);

пояснительную записку—описание устройства и принципа
действия разработанного изделия, а также обоснование принятых
при его разработке технико-экономических решений;

технические условия —потребительские (эксплуатационные)
показатели изделия и методы контроля его качества;

программу и методику испытаний—технические данные, под-
лежащие проверке при испытании изделия, а также порядок и
методы их контроля;

расчет —расчеты параметров и величин, например расчет
размерных цепей электрических режимов и т. д.

По способу выполнения и характеру использо-
вания КД делят на:

оригиналы— документы, выполненные на любом материале и
предназначенные для изготовления по ним подлинников;

подлинники — документы, оформленные подлинными подпи-
сями и выполненные на любом материале, позволяющем много-
кратное воспроизведение с них копий;

дубликаты — документы, идентичные подлиннику и выполнен-
ные на любом материале, позволяющем снятие с них копии;

копии —документы, выполненные способом, обеспечивающим
их идентичность с подлинником (дубликатом), и предназначен-
ные для непосредственного использования при разработке, из-
готовлении, ремонте и эксплуатации изделий.
Проектные КД—КД,, выполненные на этапах технического
предложения, эскизного и технического проектов.

Рабочие КД— КД выполненные на этапе выпуска рабочей
документации.

Номенклатура КД, разрабатываемая на изделия в зависимости
от этапа разработки, приведена в табл. 2.1. По усмотрению раз-
работчика некоторые документы могут быть совмещены, напри-

Таблица 2.1

Документ		Тех- ни- чес- кое пред- ложе- ние	Эс- киз- ный про- ект	Тех- ни- чес- кий про-' ект	Рабочая документация на			
наименование	шифр							
					дета- ли	сбо- роч- ные еди- ницы	комп- лексы	комп- лекты
Чертеж детали Сборочный чертеж Чертеж общего вида Теоретический чертеж Габаритный чертеж Монтажный чертеж Схемы  Спецификация  Ведомость спецификаций Ведомость ссылочных  документов  Ведомость покупных изделий  Ведомость согласования применения изделий  Ведомость держателей подлинников  Ведомость технического предложения  Ведомость эскизного проекта  Ведомость технического проекта  Пояснительная записка Технические условия Программа и методика испытаний  Таблицы Расчеты Патентный формуляр	СБ ВО ТЧ ГЧ МЧ  ВС вд вп  ВИ дп пт эп тп пз ТУ ПМ ТБ рр ПФ	+++ II© 1	1 © 1	1	1 III+I+I+II	.1 1 + + + 1 + 1 1 1 + + 1	1 © 1 ©1+ + + +	1 +++ +1©© 1	1	1 ++ III+I+ +©1 +	+ + + ++1	1	1	1	1	1	1	1 1 1 1 1++1 1 ©	+ + + ++ 1	1	1	1 + + + ++©+ + + -!- 1 © 1	+++ ++1	1	1	1 + + + ++©++++111	111111+©++ + + + 1	1	1	1+1 ++1

Примечание. ©— документ обязательный; + документ составляют по усмот-
рению разработчика; — документ не составляют.
мер ПЗ РР, СБ и ГЧ (МЧ) и т. д. В этом случае совмещенному
документу присваивается шифр и наименование документа, имею-
щего наименьший порядковый номер в таблице. Документы,
-предназначенные для разового использования в производстве
(например, документы на макет исследовательского лаборатор-
ного стенда и т. д.), допускается выполнять в виде эскизных КД.
ГОСТ определяет также основной КД, основной комплект КД и
полный комплект КД. Основной КД (чертеж детали, сборочных
единиц комплексов и комплектов — спецификация) однозначно и
полностью определяет данное изделие и его состав. Он объеди-
няет все КД, относящиеся к данному изделию (сборочный чертеж,
принципиальную электрическую схему, технические условия
и т. д.). Конструкторские документы составных частей в основной
комплект КД изделия не входят. Полный комплект КД включает
в себя основной комплект КД на изделие и основные комплекты
КД на все составные части.

Особенности ЭВМ как отдельного, самостоятельного класса
продукции привели к созданию некоторых специфических кон-
структорских документов: схем алгоритмов; диаграмм временных,
микропрограммной логики; таблиц сигналов, идентификаторов
сигналов, проверки параметров.

Особую группу документов составляет КД на программное
обеспечение. Правила составления программной документации
устанавливается единой системой программной документации
(ЕСПД).

Единая система технологической документации (ЕСТД)
включает в себя группу стандартов, определяющих правила со-
ставления и обращения технологических документов.

Широкое внедрение автоматизированных методов проекти-
рования средств вычислительной техники не изменяет комплект
конструкторской документации. Однако одна часть документов
исполняется в обычном, традиционном виде (на бумаге, кальке),
а другая —на машинных носителях (перфоленте, магнитной
ленте).

В табл. 2.2 Приведены примеры комплектов конструкторской
документации на узлы и устройства ЕС ЭВМ.

Кроме вышеупомянутых введены в действие комплексы стан-
дартов Единой системы защиты от коррозии и старения мате-
риалов и изделий (ЕС ЭКС) и система стандартов безопасности
труда (ССБТ).

Общие требования к выполнению конструкторских графиче-
ских документов. Стандарты ЕСКД устанавливают основные
требования к выполнению конструкторских графических доку-
ментов: выбору формата чертежей и масштабов изображения,
правилам простановки размеров и введения обозначений, выпол-
нения чертежей различных видов изделий и построения спе-
цификаций.
Таблица 2.2

Документ		Мо-	Функциональные устройства							Конструктивные			узлы ЭВМ			
		дель				ЭВМ										
		(комп- леке)														
наименование	шифр		про-	па-	адап-	па-	ла-	ра-	стой-	па-	уст-	пульт	бло-	бло-	тэз	комп-
																
			цес-	мять	тер	мять	мять	МЫ	ка	не-	рой-	уп-	ки	ки		ле кт
			сор	про-	ка-	ка-	кию-			ли	ство	рав-	пи-	УП-		
			ка-	цес-	нал-	на-	чей				ли-	ле-	та-	рав-		
			нал	сора	ка-	лов	за-				та-	НИЯ	иия	ле-		
					нал		щи-				НИЯ			НИЯ		
							ты							пи-		
														тани-		
														ем		
Сборочный чертеж	СБ	—	4-	+	Д-	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	
Габаритный чертеж	Г4	—	+	+	+	+	+	—	—	—	+	+	—	+	—	—
Монтажный чертеж	М4	+							—							
Схема электрическая структурная	Э1	+	+	+	+	—	+				-	—				
Схема электрическая функциональная	Э2	—	+	+	+	+	+									
Схема электрическая принципиальная	ЭЗ	—-	—-	—	—	—	—	+	+	—	+	+	+	+	+	—
Схема электрическая соединений	Э4	+	+	+	—	— .	—	+	—	+	—	+	—	—	—	—
Схема электрическая подключений	Э5	—-	+ .	+	+	—	+ 									
Схема электрическая общая	Э6	+							—							
Схема электрическая	Э7	—	+	+	+	—	+	—	—.	—	—	+	—	—	—	
расположения																
Чертеж электро- монтажный	МЭ	—	—	—	—
Спецификация	СП	+	+	+	+
Ведомость специ- фикаций	ВС	+	+	+	+
Ведомость ссылочных документов	вд	—	—	+	—
Ведомость покупных изделий	ВП	+	+	+	+
Ведомость согла-	ВИ	—	—	—	—
сования применяемых изделий					
Технические усло-	ТУ	+	+	+	+
вия					
Программа и мето- дика испытаний	пм	+	—	—	—
Таблица соединений	ТБ	—	—	—	—
Таблица сигналов	ТБ	—	+	+	+
Схема распайки	Д1	—	—	—	—
Патентный формуляр	ПФ	—	+ '	+	+
Техническое описание	то	+	+	+	+
Инструкция по эк- сплуатации	иэ	+	+	+	+
Формуляр	ФО	+	+ '	+	+
Паспорт	ПС	—	—	—	—
Ведомость ЗИП	ЗИ	+	+	+	+
Ведомость эксплуата- ционных документов	эд	+	+	+	+

Рис. 2.3. Схема построения форма-
тов графических конструкторских
документов

(2:1; 2,5:1; 4:1; 5:1; 10:1;

Схема построения форма-
тов графических КД представ-
лена на рис. 2.3. Обозначение
того или иного формата со-
ставляется из двух цифр (чи-
сел), первая из которых ука-
зывает кратность одной сто-
роны формата к величине
297 мм, а вторая — крат-
ность другой стороны к ве-
личине 210 мм. Например,
формат 44 имеет размер длин-
ной стороны 1188 мм, а ко-
роткой — 840 мм. Основны-
ми форматами приняты 11
(размеры сторон 297X210),
12(297X420),	22(594X420),

24(594X841) и 44 (1189X841).

В графических КД опре-
делены:

масштабы уменьшения
(1 :2, 1:2,5; 1:4; 1:5; 1:10;

1 :15; 1 :20; 1:25; 1:40; 1:50;

1:75; 1:100; 1:200; 1:400;

1:500; 1 :800; 1 :1000);

масштабы увеличения

20:1; 40:1; 50:1; 100:1).

Основные правила нанесения размеров и предельных отклоне-
ний на чертежах следующие:

а)	общее число размеров на чертеже должно быть минималь-
ным, но достаточным для изготовления и контроля изделия;

б)	размеры, не обеспечиваемые при изготовлении изделия
по данному чертежу и указанные для удобства пользования,
называют справочными и отмечают знаком «*» с помещением
записи «Размеры для справок»;

в)	линейные размеры и их допустимые отклонения указы-
вают на чертежах в миллиметрах без обозначения единицы

измерения;

г)	при обозначении размеров простые дроби не применяют,
за исключением размеров в дюймах;

д)	повторение размеров одного и того же элемента изделия
на разных видах не допускается;

е)	нанесение размеров в виде замкнутой цепи не допус-
кается;

ж)	при указании радиуса перед размерным числом поме-
щают прописную букву R, при указании размера диаметра —
знак 0;

I
з)	предельные отклонения размеров указывают непосредст-
венно после номинальных значений.

Стандарты устанавливают правила нанесения размеров для
всех встречающихся на практике случаев, и при. выполнении
чертежей изделий следует пользоваться его правилами и по-
ложениями. Остальные стандарты третьей классификационной
группы устанавливают все правила выполнения чертежей.

Государственные стандарты четвертой классификационной
группы устанавливают правила выполнения чертежей различных
видов изделий, например пружин, зубчатых колес, подшип-
ников и т. д.

Общие требования к выполнению текстовых конструктор-
ских документов. Государственные стандарты ЕСКД устанав-
ливают основные требования к выполнению конструкторских
текстовых документов (ТД). Эти требования относятся к спо-
собам выполнения и правилам построения ТД, к правилам
оформления иллюстраций, таблиц, приложений. Текстовые до-
кументы выполняют на установленных соответствующими стан-
дартами формах машинописным, рукописным или типограф-
ским способом. Вписывать отдельные слова, формулы, услов-
ные знаки, вносить схемы и рисунки необходимо черной
тушью. Для размещения утверждающих и согласовывающих
подписей к ТД рекомендуется составлять один или несколько
титульных листов. Содержание ТД разбивают на разделы и
подразделы, а при большом объеме — на части. Разделы должны
иметь порядковые номера, обозначенные арабскими цифрами
в пределах всего документа. Подразделы в пределах каждого
раздела должны иметь составные номера, первая часть которых
означает номер раздела, а вторая, отделенная от первой точ-
кой,—номер подраздела. В пределах подраздела допускается
разбивать текст на пункты и подпункты. Номер пункта должен
состоять из номера раздела, подраздела и пункта, разделен-
ных точками.

В документах большого объема содержание рекомендуется
располагать в начале, а список литературы и документации,
использованной при составлении документа, —в конце. Если
в документе была принята специфическая терминология, то
в нем необходим перечень принятых терминов с пояснениями.
Сокращения слов в тексте и под иллюстрациями не допус-
кается.

Технические условия (ТУ). Они должны содержать
все требования к изделию, его изготовлению, комплектности,
контролю, приемке и поставке. ТУ разрабатывают на одно
изделие (материал, вещество и т. д.) или на несколько из-
делий. Обычно ТУ выпускают на изделия, на которые от-
сутствуют стандарты и технические условия, или в случае
повышения требований, не предусмотренных существующими
стандартами. ТУ должны содержать вводную часть и следу-
ющие разделы:

технические требования—раз цел, включающий в себя так-
тико-технические характеристики изделия, электрические и кон-
структивные параметры, допустимые условия эксплуатации,
требования по надежности (вероятность безотказной работы,
наработка на отказ, сохраняемость и т. д.);

правила приемки — раздел, определяющий объем приемосда-
точных, периодических и проверочных испытаний и количество
изделий, подвергаемых этим испытаниям (приемосдаточным
испытаниям, как правило, подвергаются все 100% изделий;
количество изделий, подвергаемых периодическим и провероч-'
ным испытаниям, а также периодичность проведения этих
испытаний указываются в ТУ или определяются заводом-из-
готовителем совместно с представителями заказчика);

методы контроля (испытаний, анализа, измерений) —раздел,
включающий в себя подробное описание операций контроля
(испытания, анализа, измерений), необходимых для подтверж-
дения электрических, конструктивных, эксплуатационных и на-
дежностных характеристик изделий (здесь же указываются
необходимая контрольно-измерительная и испытательная аппа-
ратура и стенды);

транспортирование и хранение—раздел, где указывают до-
пустимые условия транспортирования и хранения (вибрация,
удары, влажность, температура и т. д.), при которых сохра-
няется работоспособность изделий;

указания по эксплуатации — раздел, где оговаривают особые
правила эксплуатации изделия, диктуемые специфичностью
схемы построения, конструкцией, особенностями отдельных
элементов и т. д. К таким указаниям, например, относятся:
способ закрепления при эксплуатации, рабочее положение,
обеспечение безопасности обслуживающего персонала и т. д.;

гарантии поставщика — раздел, где указывают срок годности
изделия при хранении в упакованном виде в составе запас-
ных частей, гарантийный срок работы и т. д.

ТУ необходимо выполнять, руководствуясь требованиями
ГОСТа.

Патентный формуляр (ПФ). Он предназначен для
оценки патентоспособности, патентной чистоты и технического
уровня изделий, материалов, технологических процессов, мето-
дов измерений и испытаний, стандартов всех категорий.

Эксплуатационная конструкторская документация. На каждое
изделие, монтаж, использование и техническое обслуживание
которого могут быть выполнены только при наличии сведений
о составе, устройстве, технических параметрах и специальных
указаний по эксплуатации, составляется эксплуатационная до-
кументация. Этот вид конструкторских документов должен
быть рассчитан на обслуживающий персонал, прошедший спе-
циальную подготовку по техническому обслуживанию и ис-
пользованию данного класса изделий.

Комплект эксплуатационных документов устанавливается в
зависимости от вида, сложности и условий эксплуатации из-
делий. В него включаются следующие документы.

 Техническое описание, предназначенное для изучения изделия.
Оно должно содержать описание его устройства, принципа
действия и технических характеристик, а также все сведения
для обеспечения полного использования возможностей изделия.

Инструкция по эксплуатации, содержащая сведения по пра-
вильной эксплуатации изделия и поддержанию его в посто-
янной готовности к работе. В этом документе указывают:
работы и операции, проводимые с изделием; способы про-
ведения работ и их последовательность; необходимые при-
боры, принадлежности, инструмент и специальное оборудова-
ние; изменения показаний приборов; мероприятия, проводимые
обслуживающим персоналом при непредвиденных остановках,
задержках в работе, аварийных ситуациях.

Инструкция по техническому обслуживанию, указывающая
порядок и правила технического обслуживания изделия при
различных условиях эксплуатации. Специальное оборудование,
стенды, приборы, инструмент и принадлежности, необходимые
для технического обслуживания и указанные в этой инструк-
ции, должны быть включены в состав запасных частей из-
делия.

Инструкция по монтажу, пуску, регулированию и обкатке
изделия, содержащая сведения для технически правильного
проведения монтажа, пуска, регулировки изделий, монтаж ко-
торых производится непосредственно на месте эксплуатации.
В ней же излагаются правила демонтажа изделия и его ос-
новных частей.

Формуляр — документ, удостоверяющий основные параметры
и технические характеристики изделия в процессе эксплуата-
ции (длительность и условия работы, техническое обслужи-
вание, виды ремонта и другие данные за весь период экс-
плуатации).

Паспорт — документ, удостоверяющий гарантированные пред-
приятием-изготовителем технические характеристики изделия.

Этикетка, предназначенная для краткого изложения основ-
ных технических показателей изделия и сведений, требую-
щихся для его эксплуатации.
§ 2.5

СХЕМНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

Виды и типы схем. По виду элементов, входящих
в состав изделия, связей между ними и назна-
чения схемы подразделяют на виды и типы (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Вид схемы	Обозначение	Тип схемы	Обозначение'
Электрическая	Э	Структурная	1
Гидравлическая	Г	Функциональная	2
Пневматическая	П	Принципиальная	3
Кинематическая	К	Соединений(мои-	4
Оптическая	О	тажная)	
Комбинированная	С	Подключений	5
		Общая	6
		Расположения	7
		Прочие	8
		Совмещенная	9

Структурные схемы определяют основной состав изделия и
его функциональные части, их назначение и взаимосвязи.
Структурные схемы разрабатывают на начальных стадиях про-
ектирования изделия и используют как для построения схем
других типов, так и для общего ознакомления с изделием.

Функциональные схемы поясняют процессы, происходящие
в отдельных функциональных узлах и частях изделия или
в изделии в целом. Функциональными схемами пользуются
для построения принципиальных схем, изучения принципа
работы изделия, а также при его наладке, ремонте и экс-
плуатации.

Принципиальные схемы определяют полный состав элементов
и связей между ними и дают детальное представление о
принципе работы изделия. На основе принципиальных схем
разрабатывают такие конструкторские документы, как схемы
соединений (монтажные), чертежи конструктивных элементов,
узлов, устройств.

Схемы соединений показывают соединения составных частей
изделия и определяют провода, жгуты, кабели и другие со-
единительные изделия, а также места их присоединения и
ввода. Схемы соединения используют при разработке конст-
рукторских графических и текстовых документов, а также при
ремонте и эксплуатации изделия.

Схемы подключений показывают внешние подключения из-
делия (или изделий). Схемы подключений используют при
монтаже изделия на месте эксплуатации, а также при его
ремонте.

Общие схемы определяют составные части комплекса и со-
единения их между собой на месте эксплуатации.

Схемы расположения устанавливают взаимное расположение
отдельных составных частей комплекса, а при необходимости
и соединяющих их жгутов, проводов, кабелей и т. д. Схе-
мами расположения пользуются при установке и эксплуатации
изделия.

При проектировании схем следует придерживаться правил,
изложенных в соответствующих стандартах ЕСКД. В них
устанавливаются условные графические обозначения элементов
схем, требования к вычерчиванию связей между элементами,
правила помещения различных технических данных на услов-
ные графические обозначения и т. д. При проектировании
ЭВМ используют в основном электрические схемы.

Условные графические обозначения двоичных логических
элементов. Условное графическое обозначение двоичного ло-
гического элемента должно иметь форму прямоугольника, в
котором допускается устанавливать одно основное и два до-
полнительных поля. В основное поле помещают информацию
о функции, выполняемой данным элементом, в дополнитель-
ных полях размещают условные обозначения входов и вы-
ходов (метки). Входы логических элементов обозначают с ле-
вой стороны, выходы —с правой. Все размеры условного гра-
фического обозначения логического элемента по высоте должны
быть кратны постоянной величине. Значение этой постоянной
величины установлено • для схем, выполняемых вручную, не
менее 5 мм, а для схем, выполняемых автоматически, — не
менее 4 мм. Минимальная высота основного поля 10—12 мм,
а ширина 8—12 или 12—17 мм (в зависимости от числа по-
мещаемых на нем знаков). Ширина дополнительного поля не
менее 5 мм. Дополнительные поля в случае необходимости
разрешается разделять на зоны.

На рис. 2.4 представлены начертания условных графиче-
ских обозначений: основное поле с левым и правым дополни-
тельными полями (рис. 2.4, а), основное поле с дополнитель-
ными полями, разделенными на зоны (рис. 2.4, б), логический
элемент с несколькими входами и одним Выходом (рис. 2.4, в).

Для обозначения функции или системы функций, выпол-
няемых данным логическим элементом, используют специаль-

Рис. 2.4. Примеры начерта-
ний условных графических
обозначений двоичных логи-
ческих элементов
ные символы, устанавливаемые ГОСТом. Символ функции
помещают внутри основного поля в верхней его части.
В табл. 2.4 приведены символы функций для обозначения
основных логических операций.

Таблица 2.4

Логическая операция	Символ функции	Логическая операция	Символ функции
ИЛИ	1	Регистр	RG
И  Сложение по модулю 2  Эквивалентность	&, И  М2	Регистр со сдвигом в сторону младших разрядов	RG-
Исключающее ИЛИ «л и л олько л» Логический порог	- 1 = л > и	Регистр со сдвигом в сторону старших разрядов	RG-
Мажоритарность Дешифратор	>М DC	Регистр с реверсив- ным сдвигом	RG—
Шифратор	CD	Счетчик:	СТ
Сравнение	= =	двоичный	СТ 2
Полусумматор	НС	десятичный	СТ 10
Сумматор	SM	Задержка	1	1
Монтажное И	&	Генератор	G
Монтажное ИЛИ	1 ❖	Одновибратор	S
 Кодовый преобразо- ватель	X/Y	Пороговый элемент (триггер Шмидта)	гг
Триггер	т	Усилитель	t>
Триггер двухступен- чатый	тт	Усилитель мощности Формирователь сиг- нала	О Е> F

В случае необходимости построения символов функций,
не указанных в табл. 2.4, следует придерживаться следующих
правил: а) символ функции должен отражать основное на-
значение логического элемента; б) в качестве символов должен
использоваться знак (буква латинского или русского алфавита,
геометрическая фигура или специальный знак) или группа
знаков, записываемых без пробелов; в) количество знаков в
символе функции не должно ограничиваться.

Например, БИС центрального процессорного элемента в
микропроцессорном комплекте серии К589 имеет обозначение
CPU (рис. 2.5, а), а однокристальный микропроцессор серии
К1801—обозначение PRC (рис. 2.5,6).

По состоянию сигнала, при поступлении которого
элемент воспринимает или вырабатывает определенное значе-
ние двоичной переменной, входы и выходы логического эле-
мента разделяют на прямые и инверсные.

По способу обработки двоичного сигнала вхо-
ды и выходы логических элементов подразделяют на ста-
тические и динамиче-
ские. На рис. 2.6 показа-
ны обозначения прямого
статического	входа

(рис. 2.6, а), прямого стати-
ческого выхода (рис. 2.6, 6),
инверсного статического
входа (рис. 2.6, <?), инвер-
сного статического выхода
(рис. 2.6, г), прямого дина-
мического входа (рис. 2.6,
()), прямого динамического
выхода (рис. 2.6, е), инвер-
сного динамического вхо-
да (рис. 2.6, ж), инверсного
динамического выхода
(рис. 2.6, з).

Выводы (входы и выхо-
ды) логических элементов
могут не нести логической
нагрузки. В этом случае их
обозначают знаком «х».
Этим же знаком обознача-
ют выводы, подключенные
к внутренней нагрузке, со-
единяемые перемычками,
и выводы микросхем, к
которым подключают внеш-
ний электрорадиоэлемент.

°)

27,
~26

31

32

33,
35

30

5~
7

2^
д
д

7

S)

PAO

PA!

>IRQI

\IRQ3

>DCLO

DMR

DMGI

SP

•CL С

ряс

AW

ADI <
AD2<
AD3<
АИФ

AD5<

9
to
fl



ADSWr

ADB&L
AD9^LS-
AD1O<
ADI fl
ADfH
ADI3>
AD14
ADI5

22

29

IAKO
DMGD
8 SY
INIT
SELt

5EEI

<40

SYN
DIN

DODT

<41

38

Рис. 2.5. Условное графическое обозна-
чение микропроцессорных БИС серий
К589ИК02 (а) и К1801ВМ1 (б)

Входы и выходы логических элементов могут иметь метки
(обозначения) отдельные, групповые или не иметь таковых.
Входы и выходы не имеют меток (соответственно условное
графическое обозначение логического элемента не имеет до-
полнительных полей) в случаях, когда: а) все входы равно-
ценны, т. е. взаимозаменяемы; б) имеется две группы входов
(выходов) — равноценных прямых и равноценных инверсных;
в) входные переменные подаются в парафазном виде. Во всех
остальных случаях условное графическое обозначение логиче-

ского элемента должно иметь дополнительные поля слева
и (или) справа.

Рис. 2.6. Условное графическое обозначение входов и выходов
двоичных логических элементов
Расстояния между соседними линиями, обозначающими
равноценные входы (выходы), должны быть одинаковыми.
Группы входов (выходов) следует разделять интервалами или
зонами. В случае неравноценности входов (выходов) логиче-
ского элемента против каждого входа (выхода) должна быть
метка—буква, цифра, специальный знак или их набор. Пара-
фазные входы (выходы) обозначают меткой у прямого входа
(выхода). Если элемент имеет несколько групп равноценных
входов, то одной меткой обозначают отдельную группу, рас-
полагая ее против линии первого входа (выхода). В этом
случае метку называют групповой. В качестве меток отдель-
ных й групповых допускается использование символов, при-
веденных в табл. 2.4.

Интегральные логические микросхемы, как правило, выпол-
няют комбинации логических операций И, ИЛИ, НЕ (отсюда
их название «комбинационные логические элементы»). Для
обозначения комбинационных логических элементов можно
применять две логически эквивалентные формы условных гра-
фических обозначений. Чтобы преобразовать условное графи-
ческое обозначение в логически эквивалентное, необходимо:
а) все прямые входы и выходы заменить на инверсные, и
наоборот; б) символ функции на основном поле заменить на 1
(или 1 заменить на &); в) метки входов & заменить на 1
(или 1 заменить на &). Логически эквивалентные формы
условных графических обозначений приведены на рис. 2.7:
ИЛИ (рис. 2.7, а); ИЛИ-НЕ (рис. 2.7,6); И (рис. 2.7, в); И-НЕ
(рис. 2.7, г).

На рис. 2.8 показано условное графическое обозначение
элементов с равноценными и неравноценными входами: по-
вторителя (рис. 2.8, а); элемента «исключающее ИЛИ» (рис. 2.8, б);
порогового элемента (рис. 2.8, в); мажоритарного элемента
(рис. 2.8, г); элемента И —ИЛИ (рис. 2.8,6); элемента И —ИЛИ-
НЕ (рис. 2.8, е).

Непосредственное соединение на общую нагрузку выходов
нескольких логических элементов (монтажная логика) принято
рассматривать условно как логический псевдоэлемент и обо-

Рис. 2.7. Эквивалентные формы условных графических
обозначений двоичных логических элементов
Рис. 2.8. Условные графические обозначения элементов с
равноценными и неравноценными входами

значать его символами &О- (монтажное И) или 10- (монтаж-
ное ИЛИ).

При раздельном обозначении функциональных расширителей
и логических элементов символ функции расширителя должен
указывать: а) операцию, выполняемую над входными перемен-
ными расширителя; б) функцию, выполняемую основным ло-
гическим элементом. При этом выход (выходы) расширителя
и связанный с ним вход (входы) логического элемента должны
обозначаться одинаковыми символами.

Большое разнообразие триггерных схем привело к необхо-
димости разработки строгой системы их условных обозначений.
Разделение триггеров производят по способам записи
информации, синхронизации, организации логи-
ческих связей. Различия при этом в основном относятся
к виду входов и их функциональному назначению. Поэтому
для условных графических обозначений триггеров принято
использовать кроме символа Т (или ТТ) в основном поле
также различные метки у каждого из входов в левом до-
полнительном поле. В табл. 2.5 приведены наименования
входов триггеров и соответствующие им символы меток.

В условном графическом обозначении триггера любого типа
выход «О» должен отличаться от выхода «1» наличием сим-

Таблица 2.5

Вход

Символ метки

Для раздельной установки триггера в состояние «1» (S-вход)
Для раздельной установки триггера в состояние «О» (R-вход)
Для установки состояния «1» в универсальном JK-триггере
(J-вход)

Для установки состояния «О» в универсальном JK-триггере
(К-вход)

Счетный (Т-вход)

Информационный для установки триггера в состояния «1»
и «О» (D-вход)

Подготовительный управляющий для разрешения приема
информации (V-вход)

Синхронизации (С-вход)

S
R

J

К
т

D

V
С
г

I

Рис. 2.9. Условные графические обо-
значения схем триггеров

вола логического отрицания.
На рис. 2.9 приведены услов-
ные графические обозначе-
ния RS-триггера с прямыми
входами (рис. 2.9, а), JK-триг-
гера (рис. 2.9, б), Т-триггера
(рис. 2.9, в), DV-триггера со
статическим управлением
(рис. 2.9, г), двухступенчатого
RS-триггера (рис. 2.9, д), син-
хронного RS-триггера с дина-
мическим синхронизирую-
щим входом (рис. 2.9, е).

В условном графическом обозначении дешифратора входы
отмечают десятичными числами, изображающими двоичные
веса, а выходы —десятичными изображениями соответствующих
кодовых комбинаций (рис. 2.10, а). При этом допускается давать
неполный набор выходов. В случае наличия парафазных входов
каждую пару входов (прямой и инверсный) обозначают одним
числом. В потенциально-импульсном дешифраторе дополни-
тельный специальный импульсный вход считывания инфор-

мации размещают отдельно от остальных и отмечают мет-
кой «С».

Условное графическое обозначение полусумматора и комби-
национного сумматора представлены соответственно на
рис. 2.10, б, в. Символ Р означает выход «Перенос». На
рис. 2.10, г показано условное графическое обозначение сдви-
гающего регистра, в котором сдвиг осуществляется только
в сторону старших разрядов по динамическому входу С.
Информация поступает на входы регистра, обозначенные сим-
волами D1-D8, на выходе информация будет в парафазном
коде.

Правила выполнения электрических схем. На схеме электри-
ческой структурной (Э1) показывают все функциональные части

I il I |l 1Ш1 Illi 1BIIUIU

Рис. 2.10. Условные графические обозначения дешифра-
тора (а), полусумматора (б), комбинационного сумма-
тора (в), сдвигающего регистра (г)
ЭВМ и основные взаимосвязи между ними. Функциональные
части можно изображать условно графически, как указано в
ГОСТе,- или в виде прямоугольников. В последнем случае
внутри прямоугольника приводят наименование данной функ-
циональной части. Линии взаимосвязей рекомендуется обозна-
чать стрелками, показывающими направления хода процесса,
движения информации и т. п. При большом числе функцио-
нальных частей рекомендуется взамен обозначений, наимено-
ваний и типов вводить порядковые номера, проставляя их
слева направо и сверху вниз. В этом случае расшифровку
номеров производят в таблице, помещаемой над основной
надписью. Построение структурной схемы поясняется примером
схемы электрической структурной ЭВМ (рис. 2.11, где Пр —
процессор; ОП— оперативная память; МП— местная память;
ПП~ постоянная память; У—управление; К—каналы, УВВ —
устройство ввода —вывода).

На схеме электрической функциональной (Э2) показывают
функциональные части машины, участвующие в процессе,
иллюстрируемом схемой, и связи между этими частями. Функ-
циональные части изображают, как правило, в виде условных
графических обозначений, однако допускается применение пря-
моугольников. На схеме Э2 должны быть указаны: для каж-
дой функциональной группы —наименование; для каждого
устройства, изображенного прямоугольником, — наименование,
обозначение или тип; для каждого устройства, изображенного
в виде условного графического обозначения,— обозначение или
тип; для каждого элемента —позиционное обозначение, при-
своенное ему на принципиальной схеме, или тип. Наимено-
вания, обозначения или типы рекомендуется вписывать в
прямоугольники. Допускается на схеме помещать поясняющие
надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последова-
тельность прохождения процессов во времени, а также указывать

Рис. 2.11. Пример построения структурной схемы
ЭВМ
8ХС6Р

>----

вхгт

>—

ЗЛО ЗПТ

>---

Генератор
такта -
вых импу-
льсов

F &

I ЛА-3"

B2TJ7I

С2ТТЛ

7.

Схема
готов-
ности

С!
с г
С1ТТЛ

CZTT/1

ЩДО

ЩД1

ЩД2

ЩДЗ

ЩДА

ШДЗ

ЩД6

-ЩД1

а

С2

цлэ

ИК80А

(ДАО -
ША! .

ША2-
ШАЗ 
ШАР-
ША5-
ША6 

ША7 
ША8
ШАЗ
ШАШ
ШАН 

ШАЦ-
ШАШ-

ШАШ
ША! 5

16

пзх

7

ПМ

'в пзх_

7

8

Схема
сдраса

СБР

СБР

СБР



ЗПР

ПН

РПР

ОЖ

ПЗХ

Бусрер
шины
адреса

Буфер
шины
данных

Схемы
управля-
ющих
сигналов

ЗП88
ЗПЗУ

РТ8В С

Бгзу ?

РПР ?

ОЖ

5

ПЗХ 6

ПМ 7'

ПРВ 8

Б

9

АО-Д/5 Шцна

* адреса

АБ'ДТ Шина

данных
о

РПР _
ЗПвВ *
ГГРВ_ *

С6Р Г
С277Пу
ЗП0-ЗП7

в

Блок
одридот-
ки преры
ваний

ЗПР

Рис. 2.12. Пример построения функциональной схемы процессорного блока микро-ЭВМ (МПК БИС
серии К580)
параметры в характерных точках (форма и величина импуль-
сов, реализуемая логическая функция и т. д.).

Построение функциональной схемы поясняется примером
схемы электрической функциональной процессорного блока
микро-ЭВМ, построенного на МПК БИС серии К580 (рис. 2.12).

На схеме электрической принципиальной (ЭЗ) указывают все
элементы, необходимые для построения ЭВМ (или ее отдель-
ного узла), связи между элементами и элементы, которыми
заканчиваются входные и выходные цепи.

Элементы в схеме изображают в виде условных графиче-
ских обозначений. Расстояние между двумя соседними линия-
ми условных графических обозначений должно быть не ме-
нее 0,8 мм.

Условные графические обозначения на схеме ЭЗ распола-
гают так, чтобы изображения связей между ними были крат-
чайшими линиями с минимальным числом пересечений. Линии
связей должны быть показаны полностью, однако при необ-
ходимости их допускается обрывать, заканчивая места об-
рыва стрелками с обозначением места включения. Для упро-
щения чертежа схемы можно несколько электрически не свя-
занных линий связи сливать в общую утолщенную линию,
но при подходе к контактам каждая линия должна быть
изображена отдельно, линии связи при этом необходимо про-
нумеровать одинаковыми числами на обоих концах (рис. 2.13).

Каждый элемент, входящий в схему, должен иметь буквен-
но-цифровое позиционное обозначение, составленное из бук-
венного индекса и порядкового номера. Порядковые номера

элементам присваивают начиная с единицы сверху вниз в
направлении слева направо, в пределах группы элементов,
которым на схеме дан одинаковый буквенный индекс. Если
элемент состоит из нескольких частей, то допускается к его
позиционному обозначению добавлять цифры, присваиваемые
каждой части элемента (например, Э1-1, Э1-2, Э1-3 означают

первую, вторую и третью час-
ти элемента У).

Данные о всех элементах,
включенных в схему, долж-
, ны быть записаны в пере-
чень (связь перечня с услов-
ными графическими обозна-
чениями элементов осуще-
ствляется через позиционные
обозначения). В отдельных
случаях допускается сведе-
ния об элементах распола-
гать на схеме около условных
графических обозначений.

I I I I I I I I I I I I I I I I,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12131415

DC
1	2	3	4-

/ г. з 4 5 6 78

й й Й й
ТТ ТТ ТТ ТТ

Рис. 2.13. Объединение электрически
не связанных линий связи в схеме
Если на схеме изображены элементы, параметры которых
должны быть уточнены подбором при регулировке, то около
обозначений этих элементов проставляют звездочки, напри-
мер R*, а на поле схемы помещают сноску: «* Подбирают
при регулировании». Выводы микросхем для каждого типа
корпуса имеют свою маркировку. На схеме электрической
принципиальной эту маркировку обязательно повторяют.

У интегральных микросхем свои самостоятельные принци-
пиальные схемы и поэтому на принципиальных схемах уст-
ройств их изображают в виде логических функциональных
узлов, условные графические обозначения которых приводились
ранее. Каждому такому функциональному узлу соответствует
на схеме позиционное обозначение, состоящее из буквенного
индекса, например У, и порядкового номера. Так как в состав
микросхемы могут входить несколько функциональных узлов,
разнесенных по полю принципиальной схемы, то им ставится
в соответствие двойное позиционное обозначение, в котором
через черточку проставляют порядковый номер функциональ-
ного узла в той или иной микросхеме.

Фрагмент электрической принципиальной схемы микро-ЭВМ,
построенной на базе однокристального 16-разрядного микро-
процессора серии К1801ВМ1, приведен на рис. 2.14. На схеме
каждый элемент имеет свое позиционное обозначение, на-
пример У6.2 означает принадлежность элемента к микросхеме,
имеющей позиционное обозначение Уб. Входы и выходы
каждого логического элемента имеют нумерацию, соответствую-
щую нумерации выводов корпуса микросхемы. Схемы ПЗУ
У2 и УЗ имеют на схеме разрывы в обозначении выводов.
Это означает, что они на плате монтируются в соединитель.

На схеме электрической соединений (Э4) изображают либо
внешние соединения отдельных устройств, непосредственно
входящих в состав ЭВМ (схема внешних соединений), либо
соединения между элементами внутри отдельных устройств
и блоков машины (схема внутренних соединений). На схеме
внешних соединений должны быть показаны все устройства,
входящие в состав ЭВМ, и их входные и выходные эле-
менты (разъемы, зажимы и т. п.). При этом отдельные уст-
ройства изображают в виде прямоугольников, а их входны?
и выходные элементы —в виде условных графических обозна-
чений, расположение которых должно давать представление
об их истинном расположении в устройствах. На схеме внут-
ренних соединений показывают все элементы, входящие в
состав устройства, а также соединения между элементами.
Элементы изображают в виде условных графических обозна-
чений или внешних очертаний. Расположение элементов на
схеме должно давать приближенное представление об их
истинном расположении в устройстве.
Рис. 2.14. Фрагмент электрической принципиальной схемы микро-ЭВМ,
построенной на однокристальном 16-разрядном микропроцессоре се-
рии К1801ВМ1

1

6

z

Провода, жгуты и кабели показывают на схеме отдельными
линиями. Провода отдельные и в жгутах, а также жилы ка-
белей должны иметь собственную маркировку, проставляемую
около обоих концов их изображений. На схеме обязательно
Указывают марки, сечения и при необходимости расцветку
Проводов, а также марки кабелей. При небольшом количестве
связей эти данные проставляют непосредственно возле каждого
вИда соединения. При большом количестве связей сведения
° них сводят в таблицу, именуемую «таблицей соединений»

3"SSf)
(форма таблицы соединений произвольная и регламентируется
разработчиком).

На схеме электрической подключения (Э5) ЭВМ показывают
ее входные элементы (разъемы, зажимы) и подводимые к ней
концы проводов и кабелей внешнего монтажа. Сама машина
может быть представлена или в виде прямоугольника, или
в виде контура, напоминающего ее внешние очертания. Эле-
менты подключения машины к внешним соединениям в виде
условных графических обозначений желательно изображать
в местах, примерно соответствующих их расположению в ЭВМ.
При наличии маркировки входных и выходных элементов в
конструкции ЭВМ их шифр обязательно обозначают на схеме
подключения. Допускается возле условных графических обо-
значений разъемов, к которым подключают провода и кабели,
указывать их тип или наименование. Если машина предна-
значена для использования в составе комплекса аппаратуры
(например, на борту самолета), то на концах проводов, жгутов
и кабелей дают адреса их внешних соединений и обозначе-
ния, присвоенные им на схеме соединений или общей схеме.

На схеме электрической общей (Э6) ЭВМ показывают все
устройства, входящие в состав машины, а также соединяющие
их провода и жгуты. Устройства, как правило, изображают
в виде прямоугольников или внешних очертаний. Внутри
каждого графического обозначения устройств указывают его
тип или наименование. Расположение графических обозначе-
ний. устройств на схеме должно давать примерное представ-
ление об их действительном расположении на месте эксплуа-
тации.

На графических обозначениях устройств показывают места
присоединения внешних проводов, кабелей или жгутов в виде
условных графических обозначений. При наличии в конструк-
ции маркировки элементов присоединения эту маркировку по-
вторяют на схеме.

Провода, жгуты и кабели на схеме должны быть прону-
мерованы самостоятельно и показаны отдельными линиями.
Номера проводов на схеме проставляют, как правило, около
концов изображений, номера кабелей —в окружностях, разме-
щенных в разрывах изображений кабелей, номера жгутов —на
полках линий-выносок. Для проводов указывают марку, сече-
ние и расцветку, для кабелей — марку и сечение жил, для
проводов, кабелей и жгутов, изготовленных по чертежам,-"
номера соответствующих чертежей.

На схеме электрической расположения (Э7) ЭВМ изображают
ее составные части и при необходимости — чертеж помещения
или местности, на которых они будут располагаться. Состав-
ные части вычерчиваются в виде прямоугольников или их
внешних очертаний. Внутри каждого графического обозначения
указывают тип или наименование соответствующего устрой-
ства.

На схеме допускается указывать провода, кабели и жгуты
в виде отдельных линий и внешних очертаний.

Задания для самопроверки

1.	Что дает стандартизация в технике конструирования ЭВМ и систем?

2.	Из каких разделов состоит техническое задание на разработку ЭВМ
и системы?

3.	Чем определяются обратные связи в последовательности выполнения
этапов разработки ЭВМ?

4.	В чем заключается подготовка производства ЭВМ?

5.	Может ли корректироваться техническое задание на ЭВМ в процессе
ее разработки?

6.	На каких этапах разработки ЭВМ проводится ориентировочный рас-
чет надежности?

7.	Чем определяется технологичность конструкции ЭВМ?

8.	Почему в разработке функционально-сложных интегральных схем
должны участвовать разработчики ЭВМ?

9.	Какие конструкторские документы относятся к группе текстовых?

10.	Что определяют технические условия на ЭВМ и систему?

11.	В чем разница между функциональными и принципиальными схемами
в случае использования в ЭВМ больших интегральных схем?

12.	Как выглядит условное графическое обозначение RS-триггера с дина-
мическим входом?

13.	Как обозначаются многопроводные сигнальные шины на электри-
ческих схемах?

14.	Каково назначение схемы электрической соединений?
ГЛАВА 3

ЭЛЕМЕНТНАЯ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
БАЗЫ ЭВМ И СИСТЕМ

Конструкция вычислительной машины объединяет все элементы, состав-
ляющие ее электрическую схему, и должна отвечать требованиям, при-
веденным в гл. 1. Оптимальное удовлетворение этих требований может
быть осуществлено только путем рационального разбиения схемы машины
на относительно мелкие, часто повторяющиеся участки, реализуемые в виде
типовых конструктивных единиц.

Кроме того, конструкция машины, разработанная без учета особенностей
и специфики технологии, как правило, оказывается нежизнеспособной и
практически нереализуемой. Поэтому конструктор-разработчик ЭВМ и системы
должен умело ориентироваться среди технологических методов реализации
той или- иной конструкторской проблемы и проектировать элементы, узлы
и устройства машины с учетом выбранных технологических приемов из-
готовления.

§ 3.1

КОНСТРУКТИВНАЯ ИЕРАРХИЯ ЭЛЕМЕНТОВ, УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ
ЭВМ И СИСТЕМ

Конструкцию ЭВМ следует рассматривать как некоторое
структурное образование, составные части которого находятся
в иерархической соподчиненности. Исходный конструктивный
элемент этой иерархии — интегральная микросхема, все или
часть элементов которой нераздельно связаны и электрически
соединены между собой так, что ее устройство рассматрива-
ется как единое целое.

Структурную схему ЭВМ любого класса и назначения строят
из некоторого конечного числа микросхем, осуществляющих
те или иные логические функции. Функционально одна группа
микросхем может отличаться от другой (в пределах одной
ЭВМ), но конструктивно они выполнены в виде определен-
ного по размерам и конфигурации корпуса с выводами. При-
менение микросхем с различными корпусами в пределах одного
устройства ЭВМ нецелесообразно, так как здесь требуется
обеспечить их совместимость по электрическим, эксплуатацион-
ным и конструктивным параметрам. При использовании ин-
тегральных микросхем операции сборки начинают на уровне
схем, выполняющих определенные функции. Однако, так же
как и при использовании дискретных радиодеталей, применение
интегральных микросхем не приводит к изменению основных
принципов проектирования, компоновки и конструктивного
оформления, согласно которым систему разбивают на менее
крупные узлы, являющиеся, в свою очередь, объектами даль-,
нейшего разбиения. Интегральная микросхема при этом явля-
ется исходным унифицированным конструктивным элементом,
унификация которого требует унификации и других конструк-
тивных единиц ЭВМ, так как только в этом случае она будет
технологичной в производстве, надежной в работе, удобной
в наладке, ремонте и эксплуатации.

В конструкции ЭВМ можно выделить пять уровней.

Уровень 0. На этом уровне находится конструктивно
неделимый элемент —интегральная микросхема.

Уровень I. На уровне I неделимые элементы объеди-
няются в схемные сочетания, имеющие более сложный функ-
циональный признак, образуя ячейки, модули, типовые эле-
менты замены. Эти конструктивные единицы не имеют ли-
цевой панели и содержат единицы, десятки, а иногда и сотни
микросхем. К первому структурному уровню следует отнести
гибридные большие интегральные схемы (БГИС), полученные
путем электрического и механического объединения обычных
бескорпусных микросхем (и кристаллов полупроводниковых
приборов) на общей плате. На этой плате нанесены пассивная
часть схемы и контактные площадки.

Уровень II. Этот уровень включает в себя конструктив-
ные единицы, предназначенные для механического и электри-
ческого объединения элементов уровня I (панель, субблок,
блок). Часто конструктивные единицы уровня II содержат
лицевую панель, не имеющую самостоятельного применения.

Уровень III. Уровень III может быть реализован в виде
стойки или шкафа, внутренний объем которых заполняется
конструктивными единицами уровня И.

Уровень IV. Уровень IV — ЭВМ или система, включающая
в свой состав несколько стоек (шкафов),, соединенных кабелем.

Пятиуровневый метод компоновки требует решения ряда
задач, связанных с выбором оптимального корпуса микросхем
и метода присоединения их выводов к внутренним соедине-
ниям уровня I, выбора оптимальных размеров конструктивной
единицы уровня I и числа входящих в нее микросхем, опре-
деления мер для теплоотвода и выбора метода соединений.
Тем не менее такое разделение конструкции ЭВМ на уровни
позволяет: а) организовать производство по независимым циклам
Для каждого структурного уровня; б) автоматизировать процессы
сборки и монтажа; в) сократить период настройки, так как
Может быть произведена предварительная настройка отдельных
конструктивных единиц порознь; г) автоматизировать решение
задач размещения элементов и трассировки межсоединений;
Д) унифицировать стендовую аппаратуру для испытания кон-
структивных единиц; е) повысить надежность конструктивных
единиц.

Число уровней конструктивной иерархии может быть из-
менено как в сторону увеличения, так и в сторону умень-
шения в зависимости от класса ЭВМ и уровня технологии
ее изготовления. Например, реализация различных устройств
машины в виде БИС позволит исключить использование
конструктивных единиц уровня I (такая машина будет компо-
новаться непосредственно из БИС). Но большая многопро-
цессорная ЭВМ со сложной структурой требует использования
четырех, а иногда и пяти уровней конструктивной иерархии.

В качестве иллюстраций рассмотрим иерархии конструктив-
ных единиц больших универсальных, средних управляющих,
малых настольных и бортовых ЭВМ. Для всех типов машин
уровень 0 иерархии включает в себя интегральные микросхемы
(корпусные или бескорпусные).

На рис. 3.1 представлен один из наиболее распространен-
ных вариантов конструктивной иерархии универсальных ЭВМ
со сложной структурой. В нем уровень I конструктивной
иерархии включает в себя типовой элемент замены (ТЭЗ) —
конструктивно законченную единицу, которая самостоятельна
по технологии производства и служит исходной конструктив-
ной единицей всей машины и Взаимозаменяема с однотипными
ТЭЗ. Число типов ТЭЗ (их номенклатуру) следует делать как
можно меньшим. Это достигается рациональным разбиением
функциональной схемы машины на отдельные повторяющиеся
участки. В качестве ТЭЗ в рассматриваемом варианте конст-
руктивной иерархии используются ячейки—прямоугольные пе-

Рис. 3.1. Конструктивная иерархия больших универсальных ЭВМ
чатные платы с разъемом (печатным или штыревым) и руч-
кой, объединяющие до нескольких десятков микросхем. Ячейки
монтируют в панели — металлическую конструкцию, имеющую
в своем составе ответные части разъемов для ячеек, ответный
монтаж, разводку питания и шины заземления. Несколько
панелей монтируются в стойке, имеющей дверцы, закрываю-
щие внутренний объем. Кроме панелей в состав стойки могут
входить блоки питания, устройства вентиляции, блокировки
и т. д. Несколько стоек (шкафов), объединенных электриче-
ски с помощью кабелей, образуют ЭВМ.

Иерархию микросхема - ячейка -* панель -* стойка -* ЭВМ (сис-
тема) широко используют в серии машин «Система-360» фирмы
«1ВМ» (США), многопроцессорной машине «Illiac-IV», в ма-
шинах ЕС ЭВМ и др.

Недостаток конструкций, применяющих в качестве ТЭЗ
ячейки с постоянными габаритными размерами,— наличие не-
использованного объема, так как не все типы ячеек оказы-
ваются насыщенными микросхемами. Этого недостатка лишены
конструкции, где в качестве ТЭЗ берется модуль —структурная
единица уровня I, унифицированная по конструктивным раз-
мерам (геометрическим и присоединительным) и имеющая два
размера (высоту и ширину) постоянными, а третий размер —
изменяющийся от одного типа модуля к другому.

На рис. 3.2 представлена конструктивная иерархия ЭВМ,
использующая в качестве ТЭЗ модули различной длины.
Модуль представляет собой прямоугольную печатную плату,
на которой с одной или с обеих сторон в 2—3 ряда рас-
полагаются микросхемы. Закрепление модуля на субблоке
осуществляют с помощью штырей, перпендикулярных плос-
кости платы модуля и монтируемых или на самом модуле,
как показано на рисунке, или на базовой плате субблока.
Как правило, контактные штыри (или отверстия под них)

Рис. 3.2. Модульный вариант конструктивной иерархии больших
ЭВМ
на модуле располагаются вдоль длинных его сторон. Длина
различных типов модулей кратна шагу размещения корпусов
микросхем на печатной плате. Субблок— плоская конструкция,
служащая для объединения модулей и имеющая в своем
составе раму, базовую плату, разъем и механизм фиксации
в стойке (шкафу). Монтаж стойки ЭВМ осуществляют непо-
средственно из субблоков без промежуточных конструктивных
единиц.

Уменьшение функционального состава ЭВМ приводит к
упрощению ее конструкции. На рис. 3.3 представлена кон-
структивная иерархия небольшой управляющей ЭВМ (микро-
схема ячейка-” блок стойка), отличие которой от предыдущих
примеров иерархии — использование блоков—конструктивных
единиц, объединяющих ячейки и функционально включающих
в себя целиком устройства машины (арифметическое, запоми-
нающее, управления и др.). Примером блочного построения
ЭВМ могут служить машины, выпускаемые фирмой «Stein
Associates» (США), СМ ЭВМ и др.

ш

Рис. 3.3. Блочный вариант конструктивной иерархии средних
и малых ЭВМ

Для небольших настольных и бортовых ЭВМ необходи-
мость в использовании конструктивных единиц уровня II
(субблоков, панелей, блоков) отпадает —ЭВМ монтируют не-
посредственно из ячеек. При этом размеры ячеек и число
монтируемых на них микросхем, как правило, больше, чем
в больших и средних ЭВМ. Это связано с тем, что разбиение
функциональной схемы сравнительно небольших вычислитель-
ных машин на повторяющиеся мелкие узлы приводит к не-
обходимости изготовления ячеек (или модулей) небольшого
размера, а отсюда к появлению большого числа проводных
и разъемных соединений. На рис. 3.4 представлены структур-
ные уровни конструктивной иерархии настольной, а на
рис. 3.5 —бортовой ЭВМ. В обоих случаях ячейки вместе со
смонтированными на них микросхемами устанавливаются не-
Рис. 3.4. Конструктивная иерархия настольных ЭВМ

Рис. 3.5. Конструктивная иерархия бортовых ЭВМ

посредственно на базовую плату, образуя блок, который затем
помещают в кожух с пультом управления (настольный ва-
риант) или с разъемом (бортовой вариант).

Примером двухуровневой конструктивной иерархии может
служить конструкция одноплатной управляющей микро-ЭВМ,
встраиваемой непосредственно в объект управления (рис. 3.6).
В такой конструкции БИС устанавливается на печатную плату
с внешними разъемами, элементами крепления ее в объекте
Рис. 3.6. Конструктивная иерархия встра-
иваемых микро-ЭВМ

управления и элементами
индикации (при необходи-
мости) с лицевой стороны.
Управление и электропи-
тание осуществляются от
управляемого объекта.

Рассмотрим, как приве-
денные варианты конст-
руктивной иерархии ЭВМ
согласуются с общими
принципами конструиро-
вания радиоэлектронной
аппаратуры на печатных
платах. В настоящее время
получили широкое распро-
странение такие принципы

конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-
узловой, функционально-узловой и модульный.

Моносхемный принцип конструирования. Этот принцип конст-
руирования заключается в том, что полная принципиальная
схема радиоэлектронного аппарата располагается на одной
печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента
приводит к сбою всей системы. Оперативная замена вышед-
шего из строя элемента затруднена из-за сложности его об-
наружения. ЭВМ, построенная по моносхемному принципу,
должна быть смонтирована из нескольких БИС, в которых
предусмотрены меры увеличения надежности путем введения
аппаратурной и информационной избыточности. Нахождение
неисправностей при этом должно производиться программными
методами.

Схемно-узловой принцип конструирования. При этом принципе
конструирования на каждой из печатных плат располагают
часть полной принципиальной схемы радиоаппарата, имеющую
четко выраженные входные и выходные характеристики. По
такому принципу сконструированы настольные и бортовые ЭВМ,
где различные устройства ЭВМ выполняют на одной или
нескольких (небольшом числе) платах, а объединение их между
собой производят с помощью коммутационной платы и про-
водных жгутов.

Каскадно-узловой принцип конструирования. Этот принцип
конструирования заключается в том, что принципиальную схему
радиоаппарата делят на отдельные каскады, которые не могут
выполнять самостоятельных функций. Вариант конструктивной
иерархии, представленный на рис. 3.3, занимает промежуточ-
ное положение между схемно-узловым и каскадно-узловым
принципами. ЭВМ с относительно сложной и большой струк-
турой строится по каскадно-узловому принципу, а ЭВМ с более
простой структурой —по схемно-узловому принципу.

Функционально-узловой принцип конструирования. Этот прин-
цип конструирования нашел широкое распространение при
разработке больших ЭВМ (см. рис. 3.1 и 3.2). Базовым эле-
ментом конструкции здесь является ТЭЗ. Имея необходимый
набор ТЭЗ, можно построить целый ряд вычислительных
машин с различными техническими характеристиками.

Модульный* принцип конструирования. Этот принцип кон-
струирования предполагает, что основные функциональные узлы
вычислительной машины взаимосвязаны с помощью одного
канала. Чтобы установить связь с модулем-приемником, модуль-
передатчик посылает нужный сигнал вместе с адресом по
одной (или более) шине. Сигналы поступают на входы всех
подключенных к каналу модулей, но отвечает только запра-
шиваемый. Применяя этот принцип, можно построить вычис-
лительную машину с практически неограниченной производи-
тельностью и сложностью, сохраняя при этом гибкость в ее
организации, так как разработчик использует ровно столько
модулей, сколько ему требуется. Разработчик ЭВМ может также
легко модернизировать конструкцию, меняя или добавляя от-
дельные модули и получая при этом необходимые параметры.

Развитие технологии, расширение требований, предъявляемых
к конструкции ЭВМ, заставляют разработчиков изыскивать
новые методы конструирования и компоновки, отвечающие
современному уровню развития техники. А это приводит к
появлению необычного, зачастую уникального варианта кон-
струкции, оптимального для данной конкретной ЭВМ и не-
пригодного для других. Поэтому при выборе того или иного
варианта конструктивной иерархии разрабатываемой ЭВМ сле-
дует учитывать всю совокупность предъявляемых к ней тре-
бований.

§ 3.2

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Классификация и система обозначений ИС. На низшем,
нулевом, уровне конструктивной иерархии ЭВМ любого типа
и назначения находятся интегральные микросхемы (ИС), вы-
полняющие логические, вспомогательные, специальные функ-
ции, а также функцию запоминания. В настоящее время про-

* Под модулем в данном случае подразумевается функционально-струк-
турная, а не конструктивная единица машины, так как он может выполнять
как функции отдельного устройства ЭВМ (устройства управления, процессор,
оперативная память и т. д.), так и целой вычислительной машины. Кон-
структивная же организация каждого модуля может быть основана на одном
из вышерассмотренных вариантов конструктивной иерархии.
мышленностью выпускается большое количество интегральных
микросхем, которые можно классифицировать по ряду при-
знаков.

По функциональному назначению ИС делят на
логические (цифровые), линейно-импульсные и линейные (ана-
логовые). Логические ИС используют в ЦВМ, устройствах дис-
кретной автоматики и других цифровых устройствах. К логи-
ческим ИС принадлежат микропроцессорные схемы, схемы
памяти и другие интегральные схемы, выполняющие логиче-
ские функции. Линейно-импульсные и линейные ИС применяются
в аналоговых -вычислительных машинах и в устройствах пре-
образования информации. К этим ИС относятся различные
преобразователи, операционные усилители, компараторы и дру-
гие схемы.

По технологии изготовления ИС разделяют на
полупроводниковые и гибридные. Элементы электрической
схемы полупроводниковых ИС формируют в объеме и (или)
на поверхности полупроводникового материала (подложки).
Формирование активных и пассивных элементов схемы про-
изводят введением определенным образом концентраций при-
месей в различные части монокристаллической пластины.
В зависимости от применяемых активных элементов полу-
проводниковые ИС подразделяют на схемы с биполярными и
униполярными структурами. Как те, так и другие делят на ИС
с изоляцией диффузионными р-/?-переходами и ИС с изоля-
цией диэлектриком. В гибридных ИС пассивную часть схемы
выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность ди-
электрического материала (подложки), а активные элементы,
имеющие самостоятельное конструктивное оформление, крепят
к поверхности подложки. В гибридных ИС используют как
тонкие, так и толстые резистивные, проводящие и диэлект-
рические пленки. Пленки толщиной до 1 мкм считают тон-
кими, а толщиной свыше 1 мкм —толстыми. ИС, использующие
тонкие и толстые пленки, называют соответственно тонко- и
толстопленочными. В зависимости от метода подсоединения
бескорпусных активных элементов гибридные ИС делят на
микросхемы с гибкими и с жесткими (шариковыми, столби-
ковыми, балочными и лепестковыми) выводами.

Разновидностью полупроводниковых интегральных микро-
схем являются совмещенные ИС. К ним относятся ИС, в
которых активные элементы выполняются внутри полупровод-
никовой подложки, а пассивная часть схемы наносится на ее
поверхность в виде тонких металлических и неметаллических
пленок. Так как такие микросхемы изготовляют на одном
кристалле, то их относят к полупроводниковым ИС.

Степень интеграции Кн микросхемы определяется числом N
содержащихся в ней элементарных схем:
| л„ = 11аЛ-1+1.

где [1g?/] —целая часть lg N.

Таким образом, микросхема, содержащая до 10 элементарных
схем, имеет первую степень интеграции (малая  ИС), до 100
схем —вторую' (средняя ИС), до 1000 схем —третью (БИС),
свыше 1000 схем — сверхбольшую ИС (СБИС).

По конструктивному оформлению ИС делят на
корпусные с выводами, корпусные без выводов и бескор-
пусные.

Ряд отдельных функциональных микросхем, объединенных
по виду технологии изготовления, напряжениям источников
питания, входным и выходным сопротивлениям и уровням
сигналов, конструктивному оформлению и способам крепления
или монтажа, образуют серию ИС. Обычно в серию ИС входит
такой набор функциональных микросхем, из которых можно
построить законченное радиоэлектронное устройство. Существу-
ют также серии специальных микросхем, предназначенных для
работы в специфических условиях, или специального назначения,
например для управления запоминающим устройством, внеш-
ними устройствами и т. д. Каждая микросхема, включенная
в состав той или иной серии, имеет условное обозначение,
которое отражает ее принадлежность к какому-либо классу,
группе в пределах этого класса и порядковому номеру серии.
В табл. 3.1 приведена классификация ИС по функциональному
назначению.

Таблица 3.1

Подгруппа и вид ИС	Обозначение	Подгруппа и вид ИС.	Обозначение
Генераторы:		Логические элементы:	ЛИ
гармонических сигналов	ГС	И	
прямоугольных сигна-		ИЛИ	ЛЛ
лов	ГГ	НЕ	ЛН
линейно измеряющих-		И-ИЛИ	лс
ся сигналов	ГЛ	И-НЕ	ЛА
сигналов специаль-		ИЛИ - НЕ	ЛЕ
ной формы	ГФ	И —НЕ/ИЛИ —НЕ	ЛБ
шума	ГМ	И - ИЛИ - НЕ	ЛР
прочие	ГП	И—ИЛИ—НЕ/И—ИЛИ	ЛК
Детекторы:		ИЛИ-НЕ/И ЛИ	ЛМ
амплитудные	ДА	расширители	лд
импульсные	ди	прочие	ЛП
частотные	дс	Многофункциональные	
фазовые	ДФ	схемы:	
прочие	дп	аналоговые	ХА
Коммутаторы и ключи:		цифровые	хл
тока	кт	комбинированные	хк
напряжения	КН	прочие	хп
прочие	КП	Модуляторы:	
Продолжение табл. 3.1

Подгруппа и вид ИС	Обозначение	Подгруппа и вид ИС	Обозначение
амплитудные	МА	прочие	СП
частотные	МС	Триггеры:	
фазовые	МФ	типа J (универсальный)	ТВ
импульсные	ми	типа R.S (с раздельным	
прочие	МП	запуском)	ТР
Наборы элементов:		типа D (с задержкой)	тм
диодов	нд	типа Т (счетные)	тт
тран гисторов	нт	динамические	тд
резисторов	HP	шмидта	тл
конденсаторов	НЕ	комбинированные	
комбинированные	НК	(типов DT, RST ит.п.)	ТК
функциональные	НФ	прочие	тп
прочие	нп	Усилители:	
Преобразователи сигналов:		высокой частоты	УВ
частоты	PC	промежуточной часто-	
длительности	пд	ты	УР
напряжения (тока)	пн	низкой частоты	УН
мощности	ПМ	широкополосные	УК
уровня (согласователи)	ПУ	импульсных сигналов	УИ
аналого-цифровые	ПА	повторители	УЕ
цифро-аналоговые	ПВ	считывания и воспро-	
синтезаторы частоты	пл	изведения	УЛ
делители частоты		индикации	УМ
аналоговые	ПК	постоянного тока	УТ
умножители частоты		операционные	УД
аналоговые	ПЕ	дифференциальные	УС
код — код	ПР	прочие	УП
прочие	пп	Фильтры:	
Схемы источников		верхних частот	ФБ
вторичного питания:		нижних частот	ФН
выпрямители	ЕВ	полосовые	ФЕ
преобразователи	ЕМ	режекторные	ФР
стабилизаторы напря-		прочие	ФП
жения непрерывные	ЕН	Формирователи:	
стабилизаторы тока	ЕТ	импульсов прямоуголь-	
стабилизаторы напря-	ЕК	ной формы	АГ
жения импульсные		импульсов специаль-	
схемы управления им-		ной формы	АФ
пульсными стабилиза-	ЕУ	адресных токов	АА
торами напряжения		разрядных токов	АР
схемы источников		прочие	АП
вторичного питания	ЕС	Схемы фоточувствитель-	
прочие	ЕП	ные с зарядовой связью:	ЦМ
Схемы задержки:		матричные	
пассивные	БМ	линейные	ЦЛ
активные	БР	прочие	ЦП
прочие	БП	Схемы ЗУ:	
Схемы сравнения:		матрицы оператив-	
амплитудные (уровня		ных ЗУ	РМ
сигнала)	СА	матрицы постоян-	
временные	СВ	ных ЗУ	РВ
частотные	СС	оперативные ЗУ	РУ
компараторы напря-	СК	постоянные ЗУ с воз-	
жения		можностью одно-	
Продолжение табл. 3.1

Подгруппа и вид ИС	Обозначение	Подгруппа и вид ИС	Обозначение
кратного програм-		микро-ЭВМ	BE
мирования постоянные ЗУ	РТ	микропроцессоры микропроцессорные	ВМ
(масочные)	РЕ	секции	ВС
ЗУ на ЦМД	РЦ	схемы микропрограм-	ВУ
постоянные ЗУ с воз-		много управления	
можностью много-		функциональные рас-	
кратного электри-		ширители	ВР
ческого перепро-		схемы синхронизации	ВБ
граммирования	РР	схемы управления	
постоянные ЗУ с уль- трафиолетовым		прерыванием схемы управления вво-	ВН
стиранием и электри-		дом — выводом	
ческой записью ин-	РФ	(схемы интерфейса)	ВВ
формации		схемы управления па-	
ассоциативные ЗУ	РА	мятью	ВТ
прочие	РП	функциональные	
Схемы цифровых		преобразователи	
устройств:	ИР	информации	ВФ
регистры	г _		схемы сопряжения	
сумматоры	ИМ	с магистралью	ВА
полусумматоры	ил	времязадающие схемы	ВИ
счетчики	ИЕ	микрокалькуляторы	ВХ
шифраторы	ив	контроллеры	ВГ
дешифраторы	ид	комбинированные	
комбинированные арифметическо-логи-	ИК	схемы  . специализированные	вк
ческие устройства	ИА	схемы	вж
прочие  Схемы вычислительных средств:	ВП	прочие	ВП

Условное обозначение серии ИС состоит из двух элементов:
первый элемент—цифра, указывающая на конструктивно-техно-
логическую разновидность серии микросхем: полупроводниковые
схемы —1, 5, 6, 7; гибридные микросхемы —2, 4, 8; прочие
(вакуумные, пленочные, керамические и т. д.)—3; второй эле-
мент—двух (старое обозначение)- или трехзначное число, указы-
вающее регистрационный порядковый номер серии. Например,
серия ИС, имеющая номер 1801, принадлежит к полупровод-
никовым схемам, порядковый номер серии —801, а серия 217
принадлежит к гибридным микросхемам, порядковый номер
серии—17.

Условное обозначение ИС состоит из четырехзначного цифрового
условного обозначения серии, двух букв, обозначающих под-
группу и вид микросхемы (табл. 3.1), и порядкового номера
разработки микросхемы по функциональному признаку в дан-
ной серии. При необходимости в условное обозначение микро-
схемы может быть введена буква (от А до Я), по которой
производят различие микросхем одного типа по какому-либо
параметру, например по значению отдельных электрических
параметров, их разбросу, предельным эксплуатационным пара-
метрам и т. д. Подобный разброс неизбежен при массовом
производстве микросхем и обусловлен технологическими от-
клонениями. Если такой технологический разброс несуществен
для нормального функционирования микросхем, то буква в
условном обозначении ИС отсутствует. Условное обозначение
микросхем, выпускаемых для широкого применения, содержат
дополнительный индекс К, который ставится впереди всех
элементов обозначения микросхемы. Например, К133ЛР1—полу-
проводниковая микросхема широкого применения, выполняющая
функцию И — ИЛИ — НЕ, принадлежащая 133-й серии, порядковый
номер микросхемы в серии—1; К217ТК1 (А, Б) —гибридная
микросхема широкого применения, представляющая собой триг-
гер с комбинированным запуском и принадлежащая к 217-й
серии, порядковый номер микросхемы в серии —1. По зна-
чениям электрических параметров ИС этой серии делятся на
две подгруппы. Например, К1802ВС1—полупроводниковая мик-
росхема широкого применения, представляющая собой микро-
процессорную секцию, принадлежащую к микропроцессорному
комплекту БИС серии К1802, порядковый номер микросхемы
в серии— 1.

Для бескорпусных микросхем после обозначения порядко-
вого номера серии и порядкового номера разработки микро-
схемы (или после дополнительного буквенного обозначения)
через дефис указывается цифра, характеризующая модификацию
конструктивного исполнения в соответствии с табл. 3.2. Перед
цифровым обозначением серии проставляется буква Б.

Например, Б747ИК1А-1 —микросхема серии Б747 в бескор-
пусном исполнении с гибкими выводами.

Буквы К, КМ, КН, КР и КА в начале условного обозна-
чения микросхем характеризуют условия их приемки на заводе-
изготовителе.

Таблица 3.2

Конструктивное исполнение бескорпусных ИС

С гибкими выводами

С ленточными (паучковыми) выводами (в том числе на
полиамидной пленке)

С жесткими выводами

На общей пластине (неразделенные)

Разделенные без потери ориентировки (например, на-
клеенные на пленку)

С контактными площадками без выводов (кристалл)

Обозначение

1

2

3

4

5

6
Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы 81
---- “
Корпуса интегральных микросхем. Корпуса интегральных
микросхем выполняют ряд функций, основные из которых
следующие: защита от климатических и механических воз-
действий; экранирование от помех; упрощение процессов сборки
микросхем; унификация исходного конструктивного элемента
(микросхемы) по габаритным и установочным размерам.

По конструктивно-технологическому призна-
ку различают корпуса: а) металлостеклянные (стеклянное или
металлическое основание, соединенное с металлической крышкой
с помощью сварки; выводы изолированы стеклом); б) металло-
полимерные (подложка с элементами и выводами помещается
в металлическую крышку, после чего осуществляется гермети-
зация путем заливки компаундом); в) металлокерамические
(керамическое основание, соединенное с металлической крышкой
с помощью сварки или пайки); г) керамические (керамическое
основание и крышка, соединенные между собой пайкой);
д) пластмассовые (пластмассовое основание, соединенное с
пластмассовой крышкой опрессовкой).

Каждый вид корпуса характеризуется габаритными и при-
соединительными размерами, числом выводов и расположением
их относительно плоскости основания корпуса. Выводы микро-
схем могут лежать в плоскости основания корпуса {планарные
выводы) или быть перпендикулярными ему {штыревые выводы).
Планарные выводы по сечению, как правило, прямоугольные,
штыревые—круглые или прямоугольные.

В настоящее время применяются пять типов корпусов,
основные особенности которых приведены в табл. 3.3.

На рис. 3.7.—3.12 приведены конструкции и основные раз-
меры пяти типов корпусов (л —число выводов; jV—число моди-

Таблица 3.3

Тип	Корпус	Выводы		
		расположение на плоскости основания	расположение отно- сительно плоскости основания	шаг, мм
1	Прямо- угольный	В пределах проек- ции тела корпуса	Перпендикуляр- ное	2,5
2	»	За пределами про- екции тела корпуса	»	2,5  1,25
3	Круглый	В пределах и за пределами проекции тела корпуса по ок- ружности	»	Под уг- лом 360°In
4	Прямо- угольный	За пределами про- екции тела корпуса	Параллельное	1,25 0,625
5	»	В пределах про- екции корпуса	Без выводов	1,25
фикаций корпуса; ПО— плоскость основания; УП—установочная
плоскость; А —расстояние от УП до верхней точки ИС; Л, —
расстояние между УП и плоскостью основания ИС, Л2 —рас-
стояние от ПО до верхней точки ИС; Е—ширина ИС; D—
длина ИС; НЕ— общая ширина ИС; L, LD, ЬЕ—ддшы вывода,
пригодная для монтажа; е — шаг выводов; заштрихованные
области, условно показанные со стороны основания, предназна-
чены для размещения ключа ИС, показывающего позицию
- вывода после установки ИС на плате.

Тип 1. Он включает в себя четыре подтипа (рис. 3.7,
а—г), отличающиеся формой корпуса и порядком расположения
выводов (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Типоразмер	Число выводов			Основные размеры, мм		
	и	nD	ПЕ	В max	^max	4 2max
1101	7	—			19,5	4,5	20,0
1201	10	—	—	14,5	7,0	
1203	14	—	—	19,5	14,5	
1205	16	„ —	—	22,0	19,5	
1208	20	—	—	27,0	17,0	7,5
1210	28	—	—	37,0	27,0	
1212	40	—	—	52,0	37,0	
1213	46	—	—	59,5	39,5	10,0
1218	24	—	—	32,0	7,0	
1219	22	—	—	29,5	9,5	I 20,0
1301	—	4	4	12,0	12,0	
1305	—	9	5	24,5	19,5	1 7,5
1401	—	5	5	14,5	14,5	
1407	—	22	14	57,0	37,0	
Примечани	е. Для всех типоразмеров />гаах “ 0,5; cmax — 0,4; е					зом “

L max - 8; La max “ 0,7; L]raax“ 0,5.
Подтип 11 (рис. 3.7, а) плоской формы высотой 20 мм;
расположение выводов — однорядное, число выводов л = 7 и 9.

Подтипы 12, 13 и 14 плоской формы высотой 7,5; 10 или
20 мм, отличающиеся друг от друга расположением выводов
яа основании корпуса вдоль длинных сторон (рис. 3.7,6), по
контуру корпуса (рис. 3.7, <?); линейно-многорядное расположение
/рис. 3.7,г); минимальное число выводов п = 8, максимальное
Я-304.

Все подтипы корпусов типа 1 имеют круглые в сечении
выводы, располагающиеся с шагом 2,5 мм как по одной, так
и по другой координате.

Тип 2. Он включает в себя два подтипа (рис. 3.8,а— в
и 3.9), отличающиеся способом отгибки выводов и располо-
жением их вдоль сторон основания корпуса (табл. 3.5 и 3.6).

Рис. 3.8. Конструкция корпуса типа 2 и его
модификации для.микросхем

Рис. 3.9. Вариант фор-
мовки выводов для кор-
пусов подтипа 22

Таблица 3.5

Типоразмер	Число выво- дов п	Основные размеры, мм		
		D max	Е max	Л max
2101	8	12,0		
2104	18	24,5	}	7,5	}	5,0
2105	14	19,5		
2109	24	32,0	}  ю,о	
2110	14	19,5		
2114	32	42,0	}	12,5	
2116	16	22,0 '		5,0
2123	40	52,0	}	15,0	(6,25)
2127	14	19,5	17,5	
2134	48	62,0	г	
2135	66	84,5	20,0	
2139	32	42,0	27,5	1	7,5

Примечание. Для всех типоразмеров еНом”2,5; Л,—1,8; Ь—'0,59; с —0,36;
^ — 5,0; £а-0,7.
Таблица 3.6

Типоразмер	Число выводов п	Основные размеры, мм					
		Д max	Е max	еном	е1ном	е 2ном	4 max
2201	14	19,5	7,5	2,5	5,0	10,0	5,0
2203	40	28,2	22,5		20,0	25,0	6,25
2207	48	33,2	17,5	1,25	15,0	20,0	5,0
2209	64	45,7	25,0		22,5	27,5	

Примечание. Для всех типоразмеров Л1тах =1,8; /’max"* 0,5$; стах = 0,36;
2-таХ= 2.а = 0,7.

Подтип 21 (рис. 3.8,а)—расположение выводов вдоль длин-
ных сторон основания корпуса с одинаковой геометрией от-
гибки; минимальное число выводов п =8, максимальное п = 66.

Подтип 22 (рис. 3.8, б)— расположение выводов вдоль длин-
ных сторон основания корпуса, отгибка которых произведена
на различных расстояниях в шахматном порядке; минимальное
число выводов п=14, максимальное п = 64.

Все подтипы корпусов типа 2 имеют в сечении прямо-
угольную форму, шаг расположения выводов 2,5 мм для под-
типа 21 и 1,25 мм для подтипа 22.

Тип 3. Он включает в себя три подтипа (рис. 3.10;
табл. 3.7, 3.8, и 3.9).

Подтип 31 (рис. 3.10, а) имеет три типоразмера с числом
выводов 8, 10 или 12, длина которых равна 14,5 мм. Корпус

Рис. З.Ю. Конструкция корпуса типа 3 и его модификации для
микросхем
Таблица 3.7

—  Типоразмер	Число выводов п	Основные размеры, мм							
		^2тах	^ном	max	Г* max	В 1тах	L max	7-lmax	7-атах
3101  3103  3105	8 12  10	4,7  6,6	5,0	0,51	9,4	8,5	14,5	0,5	0,7

Примечание. Для типоразмеров 3101, 3103, 3105 рном соответственно 45°,
36°, 30°.

Таблица 3.8

Типоразмер	Число выво- ДОВ п	Основные размеры, мм								
		D 1тах	Л 2 ном	D 1ном	-4гтах	атах	Ьтах	7-тах	7- 1тах	7-атах
3201  3204	8  10	40	"27	16,5  22,8	15,0  7,5	12,5	1,0	9,2	2,0	1,5

Примечание. Для типоразмеров 3201, 3204

Ртах соответственно 45°, 36°.

Таблица 3.9

Типо- размер	Число выво- ДОВ п	Основные размеры, мм						
		7^1 max	4 2тах	аном	^тах	С	L	7-а
3301	32	16,5	5,0	25,0	0,85	0,38	5,0	0,7

Примечание. Pmin=H°15

выполнен в виде цилиндра высотой 4,7 или 6,6 мм, диа-
метром 5 мм.

Подтип 32 (рис. 3.10,6) выполняется с 8 и 10 выводами;
корпус имеет отверстия для крепления и характеризуется более
мощной теплоотдачей.

Подтип 33 (рис. 3.10, в) выполняется с 32 выводами, корпус
оформлен в виде таблетки высотой 5 мм и диаметром 16,5 мм.

Тип 4. Он включает в себя два подтипа (рис. 3.11;
Табл. 3.10 и 3.11), отличающиеся расположением выводов.

Подтип 41 (рис. 3.11, а)—расположение выводов вдоль двух
сторон корпуса.

Подтип 42 (рис. 3.11, б) — расположение выводов вдоль че-
тырех сторон.
Примечание. Для подтипов 41 и 42 выводы, располагающиеся в
плоскости тела корпуса, с шагом 0,625 или 1,25 мм имеют в сечециц
прямоугольную форму с размерами (0,3 4-0,5) X (0,054-0,3) мм.

Рис. 3.11. Конструкция корпуса типа 4 и его модификации для
микросхем

Таблица 3.10

Типоразмер	Число выводов п	Основные размеры, мм			
		Т^тах	Е> <7тах	7/fmax	A max
4101	6	4,50	}	5,0	| 22,50	
4102	14	9,50			
4106	16	10,75	7,5	25,00	2,5
4108	16	10,75	11,25	28,75	
Продолжение табл. 3.10

Типоразмер	Число выводов п	Основные размеры, мм				
		Т^тах		Т^Етах	4 max	
4110	24	15,75				
4116	18	12,00				
4118	24	15,75	13,75	36,25		
4122	40	25,75				
4124	16	10,75				5,0
4128	40	25,75	15,00	38,50		
4130	48	30,75				
4135	64	40,75	20,00	42,50		
4138	42	27,00	26,75	53,75		
4142	48	30,75	28,75	56,25		7,5
4146	70	44,50	41,25	68,75		
4147	16	5,175	8,75	21,25		|	2,5
4149	16	5,175	11,25	23,75		

Примечание. Для всех типоразмеров />тах “ 0,54; стах “0,2; £ Emin ,

Lpmin “ 5’3’ Lpmax “ °,7: Qmax “ 2,3; сном - 1,25 (для типоразмеров 4147 и 4149 еном - 0,625).

Таблица 3.11

Ти- по- раз- мер	Число выводов		Основные размеры, мм										
	nD	ЛЕ	^тах	еном	^тах	^Dmax	Нс °£тах	Лтах	Ьтах	с	2- Emin Drain	^ргаах	Q max
4201  4203	9  16	4  16	12,50  21,25	1,25	6,25  21,25	35,0  48,0	32,0  48,0	5,0	0,54	0,2	5,3	0,7	2,3

Тип 5 (рис. 3.12 и табл. 3.12). Он характеризуется от-
сутствием выводов. Монтаж микросхемы производится с по-
мощью контактных площадок размером 1,6 X 0,9 мм.

Каждому выводу корпусов любого типа присваивается номер
его позиции. На крышке корпуса в определенной области

выполняется ключ микро-
схемы, указывающий нача-
ло отсчета выводов (на
Рис. 3.7—3.12 эта область
заштрихована со стороны
плоскости основания кор-
пуса).

В качестве примеров
Проведем описание некото-
рых типов корпусов ИС,
характеризующихся сравни-
тельно большим числом

Рис. 3.12. Конструкция корпуса типа 5
для микросхем
Таблица З.ц

Типо- размер	Число выводов			Основные размеры, мм				
	п	nD	пЕ	Алах, Е щах	^2тах	^тах	Asmax, Атах	еном
5101  5103  5105	24  44  56	7  11  13	5  11  13	 10,0  15,0  20,0	5,0	0,9	1,6	1,25

выводов. В таких корпусах обычно размещаются микропро-
цессорные БИС, схемы памяти различного типа большой
информационной емкости, умножители сигналов, многоразряд-
ные преобразователи и т. д.

На рис. 3.13—3.22 приведены конструкции десяти типов кор-
пусов ИС, параметры которых даны в табл. 3.13.

Государственный стандарт запрещает выпуск микросхем в корпусах,
габаритные и присоединительные размеры которых отличаются от рекомен-
дуемых. Однако отечественной промышленностью было выпущено большое
число серий ИС, которые отличались не только своими технологическими
и функциональными признаками, но и конфигурацией, размерами и системой
обозначений корпусов. Поскольку в настоящее время эти серии микросхем
все еще применяются, рассмотрим конструктивные особенности таких
корпусов.

Металлополимерный корпус «Тропа» (рис. 3.23). Он имее1
12 выводов круглого сечения диаметром 0,6 мм, располагающихся по кон-
туру корпуса с шагом 3 мм. Масса корпуса 1,5 г.

Металлополимерн ый корпус «Трапеция» (рис. 3.24). Этот
корпус имеет 14 выводов диаметром 0,35 мм, расположенных вдоль длин-
ных сторон корпуса с шагом 2 мм. Масса корпуса 1,5 г.

Металлостеклянный корпус «Посол» (рис. 3.25). Он имеет
13 выводов круглого сечения диаметром 0,45 мм, из которых 12 распо-
лагаются по контуру корпуса. Шаг между выводами 3 мм. Масса корпуса 1,1 г.

Металлостеклянный корпус «Вага-1Б» (рис. 3.26). Корпус
имеет 18 выводов круглого сечения диаметром 0,5 мм, располагающихся
вдоль длинных сторон корпуса с шагом 2 мм. Масса корпуса 4,0 г.

Основной недостаток как корпусных микросхем, так и по-
строенных на них устройств — сравнительно большой объем
вспомогательных конструктивных элементов: корпусов, выводов,
элементов герметизации, теплоотвода и т. п., не несущих
функциональной нагрузки. Использование корпусных микросхем
приводит к непроизводительно большим затратам полезного
объема и массы устройства, уменьшает на один—два порядка
плотность компоновки элементов по сравнению с плотностью
их размещения в кристалле или на подложке.

Примечание. С целью увеличения степени эффективного исполь-
зования объема и массы микроэлектронных цифровых устройств в последние
^^-0,3

0,7тах 1*0'5
0,1 max

/М 2.5 = 27,5

Рис. 3.16. Конструкция корпуса 244.48-8

Рис. 3.17. Конструкция корпуса 411.34-1

Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы
Рис. 3.18. Конструкция корпуса 429.42-1

0.Z7 max

Рис. 3.19. Конструкция
са 413.48-1

корпу-

Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы
Ключ

• Рис. 3.20. Конструкция корпуса 421.50-1

Рис. 3.21. Конструкция корпу-
са 425.64-1

годы находят распространение бескорпусные ИС. Наиболее широко их

применяют в бортовых и настольных ЭВМ, а также в микрокалькуляторах.
Бескорпусная ИС представляет собой изоляционную (ситалловую, керами-
ческую и др.) подложку с нанесенной на ней- одним из методов интеграль-

Рис. 3.22. Конструкция корпуса 462.64-1

ной технологии схемой. Для осу-
ществления монтажа между бескор-
пусными ИС на подложке преду-
сматриваются контактные площадки.

Для построения ЭВМ можно
использовать обычные стандартные
бескорпусные ИС. В этом случае
предприятие-разработчик ЭВМ за-
ключает специальный договор с
предприятием-изготовителем микро-
схем на их подставку.

Высокой эффективностью обла-
дают гибридные бескорпусные микро-
схемы. Они представляют собой
сравнительно больших размеров си-
талловую или керамическую подлож-
ку (основание), на которой пассив-
ная часть (межсоединения, резис-
торы) выполнена напылением, а ак-
тивная часть (диоды, транзисторы,
кристаллы полупроводниковых мик-
росхем) наклеивается в отведенные
места и припаивается перемычками
к остальной схеме. По периметру
подложки располагаются контактные
площадки. Так как площадь осно-
вания сравнительно большая, то на
Таблица 3.13

Корпус					Устойчивость к механическим нагрузкам			
		  тип	материал	масса	Число ВЫВО- ДОВ	Диапазон рабочих температур, °C	вибрации	удары много- крат- ные	удары одно- крат- ные	линей- ные ускоре- ния
2120.24-1	Керамика	3,7	24	-60-5-+155	40g 1-5000 Гц	150g	1000g	500g
2121.28-2		4,5	28	-60 —+155	—»—		—»~	
2123.40-5	Пласт- масса	5,6	40	-40 —+85	10g 1-600 Гц	75g	—	100g
2443.48-8	Керамика	5,0	48	-60-+155	40g 1-5000 Гц	150g	1000g	500g
411.34-1	Пласт- масса	5,2	34	-40-+85	10g 1-600 Гц	75g	—	100g
429.42-1	Керамика	4,0	42	-60-+155	40g 1-5000 Гц	150g	1000 g	500g
413.48-1	Металло- стеклян- ный	2,2.	48	-45- +85	10g 1-600 Гц	75 g	—	200g
421.50-1	Керамика	6,6	50	—60 —+155	40g 1-5000 Гц	150g	1000g	500g
425.64-1	Металло- стеклян- ный	20	64	-60 — +125	40g 1-5000 Гц	150g	1000g	150g
462.64-1		11,9	64	-45 — +85	10g 1-600 Гц	75g	—	200g

<2

II

12	3	4

Рис. 3.24. Конструкция корпуса «Трапеция»

3.23. Конструкция
корпуса «Тропа»
/ 23 45 6 7 в 9

Рис. 3.25. Конструкция
корпуса «Посол»

Рис. 3.26. Конструкция
корпуса «Вага-1 Б»

нем можно выполнять тонкопленочные конденсаторы и индуктивности, ис-
пользуя для них места, на которые монтируются кристаллы активных
элементов.

Применение бескорпусных интегральных схем наряду с резким умень-
шением габаритных размеров и массы создаваемой на их основе аппаратуры
приводит к увеличению трудоемкости ее изготовления, а следовательно,
и стоимости, к необходимости предусматривать дополнительные меры за-
щиты и герметизации. Этих недостатков практически лишены получившие
широкое распространение безвыводные корпуса с уменьшенными размерами или
микрокорпуса.

Применение микрокорпусов (МК) дает возможность не только
увеличить плотность компоновки БИС, но и улучшить их
электрические параметры, расширить возможности автоматизи-
рованного контроля и аттестации, а также уменьшить стоимость
производства аппаратуры.

Наиболее очевидным преимуществом микрокорпусов по
сравнению с традиционными корпусами ИС является значи-
тельное уменьшение геометрических параметров — основных
размеров, площади и объема конструкции, соответствующих
одному и тому же кристаллу с одинаковым числом выводов.
Так, размеры МК с 64 выводами составляют DXEXA^
= 18,62X1,84X3 мм, 5=3,47 см2 и И= 1,04 см3, а размеры
корпуса ИС подтипа 21 (тип DIP) с тем же числом выводов
составляют 81,3X20,3X3,5 мм, 5=16,5 см2 и И=5,77 см3.
Следовательно, микрокорпус занимает площадь на плате в
4,8 раза меньше и объем в 5,5 раза меньше, чем обычный
корпус ИС.

 Микрокорпуса более плотно располагаются на плате в гиб-
ридной ИС или микросборке, а также на печатной плате,
что делает возможным достижение более плотной компоновки
/упаковки микро-ЭВМ в целом). Это обусловливает умень-
шение сложности конструкций и компоновки ЭВМ и, следо-
вательно, снижение стоимости ее производства.

Микрокорпус обеспечивает оптимальную организацию изме-
рений статических и особенно динамических параметров ИС,
что позволяет проводить наиболее объективный выходной
контроль при изготовлении ИС и входной контроль у по-
требителей ИС.

Уменьшение размеров МК приводит к значительному со-
кращению расхода дорогостоящих материалов: уменьшается
расход керамики, золота, сокращается номенклатура техноло-
гической оснастки. При обнаружении и отбраковке дефектной
ИС применение недорогого МК дает значительную экономию
по сравнению с корпусной ИС.

Применение микрокорпусов улучшает электрические пара-
метры ИС за счет получения более коротких токопроводящих
дорожек, снижения сопротивления и уменьшения межвывод-
ной емкости, что повышает быстродействие ИС.

Микрокорпус является частью конструкции ИС (БИС) и
предназначен для защиты кристаллов от внешних воздействий
и соединения их посредством выводных площадок (выводов)
с внешними электрическими цепями аппаратуры.

Конструктивное исполнение основных типов МК приве-
дено на рис. 3.27 и 3.28, а их размеры —в табл. 3.14—
3.17. В табл. 3.14 приведены общие для всех типов микро-
корпусов размеры.

Примечание. Размеры МК в табл. 3.14—3.17 приведены с учетом
возможных покрытий. Каждому выводу присваивается номер его позиции.
Пропуски отдельных выводов не регламентируются. Позиции выводов обо-
значаются в возрастающем порядке против часовой стрелки по периметру

Рис. 3.27. Типы микрокорпусов:

а~Н01, H02, H08; 6 -НЮ, H14, H16, H19; в-Н20; г-Н21, H22; 4-МОЗ, М05, М08
Рис. 3.28. Оформление выводов микрокорпусов:

а, в —корпус с выводными площадками; б—корпус с выводами (применяется
при отладке изделий); г—корпус с выводами, сформированными для планарной
установки на плате

МК (если смотреть сверху). Вывод 1 отмечается ключом — визуальной точкой,
размещаемой в заштрихованной зоне. Допускается применение МК с метал-
лическими выводами. Они являются постоянными принадлежностями МК
на предварительных этапах изготовления и представляют удобства на конт-

Таблица 3.14

Критерии размеров постоянных деталей	Основные размеры, мм									
	А	Ь,	Z>2	Z>*	с**	Ь	Li	Ьз	La	R
Мини- мальные	—	0,49	0,25	0,25	0,07  3,15(М)	3,0	0,80	0,40	0,49	—
Макси- мальные	.2,50	0,59	0,59	0,43	0,20 0,25(Х)	—	1,20 з,оо(м)	1,65  2,00(М	1,80	0,3

* Размеры устанавливаются при изготовлении корпусов с выводами.

** В случае применения корпусов с выводами размер А допускается увеличивать
на 3 мм.
Таблица 3.15

Типоразмер	Число выводов			Основные размеры, мм		
	п	nD	пЕ	^тах> ^тах	/Anin	//max
Н01	14	3	4	6,80	—	—
Н02	16	5	3	6,80	12,80	15,20
Н08	24	12	0	12,20	18,20	20,60
НЮ	28	7	7	9,60	—	—
Н14	40	10	10	12,49	—	—
Н16	42	12	12	14,52	—	—
Н19	64	17	15	18,62	24,62	27,00
Н20	84	21	21	23,76 .	—	—

Примечание. Для всех типоразмеров е = 1.

Таблица 3.16

Типоразмер	Число выводов			Основные размеры, мм		
	п	nD	пЕ	е	//щах	Е max
Н21  Н22	26  52	13  26	0  0	0,625	8,80  17,60	12,50  12,50

Таблица 3.17

Типоразмер	Число выводов п	Основные размеры, мм				
		Л max	Gmin	* 2 я 2 s, s 0?^	//min	//max
МОЗ	8	5,0	4,00	5,20	5,70	6,30
М05	12	7,5				
М08	16	10,0	5,00	6,20	6,70	7,30

Примечание. Для всех типоразмеров е — 1,25.

Рольных операциях и в некоторых видах окончательного монтажа на пе-
чатной плате. В основных типах МК эти металлические выводы удаляют.

Интегральные логические микросхемы и их важнейшие пара-
метры. Интегральные логические микросхемы представляют
собой самое массовое изделие современной микроэлектронной
Промышленности. Это объясняется не только все возрастающей
Потребностью в этом виде микросхем, но и их относительной
схемной простотой, сравнительно слабыми требованиями к

‘Hso
пассивным компонентам. Интегральные логические микросхемы
содержат небольшое число элементов (их номенклатура не
превышает пяти).  При этом используются те элементы, тех-
нология изготовления которых наиболее хорошо отработана.
В этих микросхемах допустимы относительно большие разбросы
значений параметров пассивных элементов, а в ряде случаев-
и параметров транзисторов и номиналов питающих напряжений.

Среди всех типов интегральных микросхем логические схемы
характеризуются наибольшей надежностью, максимальной сте-
пенью интеграции элементов и наименьшей стоимостью.
Интегральные логические микросхемы в зависимости от способа
передачи входного тока или напряжения, порядка применения
логики и принципа использования активных и пассивных
элементов разделяют на схемы транзисторные с непосредствен-
ной связью (НСТЛ), резисторной связью (РТЛ), резистивно-
емкостной связью (РЕТЛ); диодно-транзисторной логики (ДТЛ);
транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ); диодно-транзистор-
ной логики с дополнительной симметрией (ДСДТЛ); модифи-
цированной диодно-транзисторной логики (МДТЛ); транзистор-
ной логики с переменным порогом (ППТЛ); эмиттерно-связан-
ной логики (ЭСЛ); эмиттерно-связанной логики с эмиттерным
повторителем на входе (ЭЭСЛ); эмиттерно-связанной логики
с дополнительной симметрией (ДСЭСЛ); транзисторной логики
с непосредственной связью на МДП-транзисторах (ИСТЛМ);
интегральной инжекционной логики (И2Л); униполярные МДП
с «-проводимостью (л-МДП); униполярные МДП с р-проводи-
мостью (р-МДП); униполярные с комплементарными МДП-тран-
зисторами (КМДП); кремний на сапфире (КНС).

Каждая из интегральных микросхем независимо от техно-
логии изготовления и схемотехнической базы характеризуется
совокупностью параметров, которые определяют логические,
схемотехнические и эксплуатационные возможности той или
иной микросхемы и по которым можно производить их срав-
нительный анализ и. выбор оптимальной для разрабатываемого
устройства. К этим параметрам для логических интегральных
микросхем относят: 1) реализуемую логическую функцию;
2) коэффициент разветвления по выходу 3) коэффициент
объединения по входу А?об; 4) коэффициент объединения по
выходу Коб. выХ; 5) мощность потребления Рпот; 6) среднее время
задержки распространения сигнала t зд.р.ср; 7) рабочую частоту Z
8) помехоустойчивость Z7nmax; 9) напряжение «О» U° или «1»
£7’; 10) напряжение источника питания £/ип; 11) допуск на
номиналы источников питания А£/ип; 12) входную Свх и вы-
ходную Свых емкости; 13) ток потребления /пот; 14) входное
Авх и выходное 7?вых сопротивления; 15) допустимый диапа-
зон рабочих температур АГР; 16) допустимую величину меха-
нических воздействий; 17) допустимый диапазон давления
оКруЖающей среды; 18) устойчивость к радиационным воз-
действиям; 19) массу; 20) надежность.

д 1. По виду реализуемой логической функции интегральные
логические схемы могут быть одноступенчатыми (схемы И,
0ДИ, НЕ), двухступенчатыми (схемы И — НЕ, ‘ ИЛИ — НЕ,
0 —ИЛИ и т. д.), трехступенчатыми (схемы И —ИЛИ —НЕ,
0Е~И~ИЛИ, И —ИЛИ —И и т. д.) и многоступенчатыми,
реализующими сложные логические функции.

2.	Коэффициент разветвления по выходу КРЛЗ логического
элемента (нагрузочная способность) определяет максимальное
число идентичных элементов, которое может быть подключено
к выходу данной схемы. При этом должна обеспечиваться
устойчивая передача сигналов «0» или «1» при воздействии
дестабилизирующих факторов: изменения окружающей темпе-
ратуры, уменьшения номиналов источников питания в пределах
допуска, разброса параметров компонентов и т. д.

Нагрузочная способность логического элемента выражается
целым положительным числом (ЛГраз == 2, 4, 6, 10 и т. д.).
Чем выше нагрузочная способность элемента, тем выше его
логические возможности и тем меньше микросхем требуется
для построения вычислительного устройства. Однако увели-
чивать бесконечно параметр ЛГраз нецелесообразно, так как это
ведет к снижению быстродействия логического элемента,
увеличению мощности потребления, ухудшению частотных
характеристик и помехоустойчивости. Поэтому в состав серии
ИС входят обычно элементы с низкой нагрузочной способ-
ностью (основные логические элементы с Крзз = 2 -г-10) и с
высокой нагрузочной способностью (мощные или буферные
элементы с Араз =20-s-50). Это дает возможность разработчику
проектировать ЭВМ с оптимальным соотношением между
потребляемой мощностью и количеством ИС в машине.

3.	Коэффициент объединения по входу Ко6 элемента показы-
вает максимально возможное число логических входов ИС.
Так как логическая ИС часто имеет как вход (входы) И,
так и вход (входы) ИЛИ, то различают коэффициент объ-
единения по входу И ЯГоби и коэффициент объединения по
входу ИЛИ А?обили-

Микросхемы с большим Ко5 обладают большими логиче-
скими возможностями, чем ИС с меньшим Коб, однако уве-
личение Коб ведет к потере частотных характеристик, умень-
шению помехоустойчивости и увеличению мощности потреб-
ления. Поэтому в серии ИС имеются элементы с различными
значениями параметра Ко6. Например, рассмотрение функцио-
нального состава вычислительной системы фирмы «1ВМ»
(США) позволило установить следующее распределение пара-
метра Ко5 Для всех ИС, входящих в систему: число ИС с
Параметром АГоб—1; 2 составило 37%; ЯГОб=3; 4 — 28%; АГоб = 5;
6-16%; Л?об=7; 8-7%; £об = 9; 10-9%; Ко5> 10-3%. Так как
число входов ИС часто ограничивается числом выводов кор-
пуса, то для увеличения Коб в состав серии ИС вводят так
называемые «расширители» числа входов, не имеющие само-
стоятельного применения. При этом возможность подключения
расширителя предусматривается для отдельных микросхем
серии.

4.	Коэффициент объединения по выходу Коъ. вых определяет
число соединяемых между собой выходов ИС, при котором
обеспечивается реализация соответствующей логической опе-
рации.

5.	Мощность потребления РП0Х — средняя мощность, потребля-
емая микросхемой при работе в устройстве, один из важнейших
параметров логической ИС. Логическая ИС может находиться:
а) в стадии включения; б) в состоянии «Включено»; в) в ста-
дии выключения; г) в состоянии «Выключено». Каждое из
этих состояний характеризуется различной мощностью по-
требления. При этом в зависимости от типа логического эле-
мента мощность потребления будет происходить в основном
при переключении из одного состояния в другое для одного
типа элементов и в состояниях «Включено», «Выключено»-
для другого типа. Оба типа элементов характеризуются сред-
ним значением мощности потребления

Гпот ср “(/’Хот + Pl,ид/2,

где Рп°0— мощность потребления микросхемы в состоянии «Вы- ।
ключено»; Р^ мощность потребления микросхемы в состоянии I
«Включено».

Кроме того, для элементов первого типа необходимо знать
среднее значение мощности потребления на максимальной
частоте переключения элемента.

По мощности потребления ИС можно разделить на мощные
логические схемы (30 мВт<РПОт. ср<300 мВт), схемы средней
мощности (3 мВт < Рпот ср < 30 мВт), маломощные схемы
(0,3 мВт < Рпот. ср < 3 мВт), микроваттные схемы (1 мкВт<
<РПОт.ср <300 мкВт) и нановаттные схемы (Рпот.ср < 1 мкВт).
Более мощные логические схемы обладают повышенным по 1
сравнению с маломощными схемами быстродействием. Сни-
жение микросхемами мощности потребления при сохранении
высокого быстродействия — одна из задач микроэлектроники.

6.	Среднее время задержки распространения сигнала t зд.р.ср
характеризует быстродействие ИС. Определяется этот параметр
как полусумма задержек переключения элемента из состояния
«Включено» в состояние «Выключено» /’3>д° и, наоборот,

С,р.ср = (^ + &')/2.
Используется параметр Сд.р.ср при расчете временных харак-
теристик цепочек последовательно соединенных ИС. По этому
параметру ИС можно разделить на сверхбыстродействующие
(Гздр.ср нс и /’пот.ср =50^100 мВт), быстродействующие
V р ср =5-М0 нс и ^пот.ср =20-г50 мВт), среднего'быстродей-
ствия (Сд.р.ср = Ю100 нс и Рпот.ср = 1 -т-30 мВт) и малого
быстродействия (Сд.р.ср > ЮО нс и РПоТ.сР<1 мВт).

7.	Рабочая частота f, как и параметр Зд.р.ср, характеризует
быстродействие логической ИС и определяется временем про-
текания переходных процессов при переключении схемы из
одного состояния в другое. Так как в одной и той же се-
рии ИС имеются схемы различной сложности, а отсюда —
с различными временами задержек переключения, то под
предельной рабочей частотой обычно понимают максимальную
частоту переключения триггера, составленного из отдельных
логических микросхем серии.

8.	Помехоустойчивость Uпом. max как один из основных па-
раметров логических ИС характеризует способность микросхем
сохранять нормальное функционирование при максимальном
воздействии помех одновременно по всем входам основной
и соседних с ней схем. Так как логическая ИС может на-
ходиться в одном из двух устойчивых состояний (открытом
или закрытом), то различают помехоустойчивость закрытой
схемы по отношению к отпирающим помехам UQmM и помехо-
устойчивость открытой схемы по отношению к запирающим
помехам U\0M. Часто используют не абсолютные значения
напряжений максимально допустимых помех по входу, а их
отношения к минимальному перепаду напряжения Д1/т;п на
выходе элемента при его переключении. Это отношение на-
зывают коэффициентом статической помехоустойчивости:

К0-' — I/°'1 /Л//

1	'ПОМ.СТ - 4-7 лом / Х-* U7 ПНИ-

Динамическая помехоустойчивость, т. е. помехоустойчивость
логических ИС в динамическом режиме, зависит от амплитуды
и длительности сигнала помехи, скорости переключения основ-
ного логического элемента в серии и его статической помехо-
устойчивости. Как правило, динамическая помехоустойчивость
той или иной серии микросхем устанавливается на триггере,
составленном из основных элементов этой серии. Характерис-
тикой динамической помехоустойчивости -служит критическая
Длительность импульса помехи тк, при которой ее амплитуда
соответствует уровню статической помехоустойчивости элемента.

9.	Открытое и закрытое состояние логической ИС соот-
ветствуют наличию на ее выходе высокого или низкого уровня
напряжения, которым соответствуют «0» и «1». В справочных
Данных на логические микросхемы обычно приводятся зна-
чения высокого уровня («1») и низкого уровня («0»). Раз-
ность между этими уровнями характеризует перепад напряже-
ния, возникающего на выходе микросхемы при ее переклю-
чении.

10.	Важный параметр той или иной серии микросхем —
напряжения источников питания, их число и допустимые
пределы изменения.

11.	Чем больше число источников питания и меньше допуск
на номиналы источников питания для рассматриваемой серии
микросхем, тем сложнее становится ее использование в циф-
ровых устройствах.

12.	Входные и выходные емкость и сопротивление ИС Свх,
Свых, Rbx, К вы* характеризуют значения емкостей и сопротив-
лений по каждому из входов и выходов.

13.	Ток потребления /ПОт — значение тока, потребляемого
микросхемой от источника питания в заданном режиме. Раз-
личают ток потребления в статическом / пот ст и динамическом
I пот.лчн режимах, ток потребления в состоянии «0» /$от  и
«1» Zn0T.

14—20. Входное RBX и выходное /?вых сопротивления, допус-
тимый диапазон рабочих температур АТр, допустимые механи-
ческие воздействия, допустимый диапазон давлений окружающей
среды, устойчивость к радиационным воздействиям, масса,
надежность—значения этих параметров можно найти в техни-
ческой документации на серию ИС.

Кроме оценки пригодности той или иной серии логиче-
ских микросхем для разрабатываемой ЭВМ знание всех ее
параметров помогает разработчику устанавливать их степень
совместимости с целью построения устройств машины из
различных серий ИС. Под совместимостью при этом пони-
мается наличие общих основных параметров у разных серий
микросхем.

В табл. 3.18 приведены параметры некоторых серий ин-
тегральных логических микросхем. В таблице коэффициент
разветвления по выходу Кряз и мощность потребления Рпот
приведены для двух элементов в серии: основного и мощного
(сООТВеТСТВеННО К pa3 ОСН, /’пот.осн И /^разтах, /’поттах). ОтСуТСТВИв
параметров А?разтах и РПоттах означает отсутствие мощного
элемента в серии. Что касается параметра надежности (ин-
тенсивность отказов), то его числовое значение с течением
времени изменяется в сторону уменьшения. Это объясняется
внедрением в технику изготовления ИС новых материалов
и технологических процессов, ростом культуры производства,
совершенствованием конструкции ИС и автоматизацией их
изготовления.

Фирма «Raytheon» подвергла испытаниям микросхемы, из
которых монтировалось вычислительное устройство системы
«Аполлон». Интенсивность отказов X для испытанных микро-
s

-й.	О'	коэффициент объедине- ния по входу Л'вх	
50. 7,5 12,5 60 80 100 50  8 5  50	2 й о х  S л 3 о р ' ° и	МОЩ1 потре€ Р 'пот.
1 100 35  25  100  150  260  160  16  18  200	2 X р g ж X о  Т s	4ОСТЬ  )дения , мВт
11 0,04 1,3 0,2 . 0,07 0,015 0,01 0,014 0,03 0,1 0,1 0,007	.среднее время распространим t зд. р. ср., мкс	задержки я сигнала

Таблица ЗЛ%
ИС

серия	•ТИП логики	тип корпуса	коэффици- ент объеди- нения по выходу *об. вых.		коэффициент объедине- ния по входу АГВХ	мощность потребления ^"пот. ’ м®т		.среднее время задержки распространения сигнала t зд. р. ср., мкс	рабо- чая час- тота f  МГц
						ОСНОВ- НОГО эле- мента	макси- маль- ная		
			для основ-  ного  эле- мента	макси- маль- ный					
К138	эсл	201.14-1		100		50	200	0,005	
К144	р-МДП	301.12 -1				150	270	30	
К155  КМ 155	ТТЛ.	239.24-2  201.14-1	10	30	8	40	100	0,03	40
156	ДТЛ	401.14-2	4	36	10	17	34	0,04	
К158	ТТЛ	201.14-1	10			9	14	0,06	
К172	р-МДП	201.14-1	15			80	140	0,6	0,2
К176	кмдп	201.14-1	100			1		0,2	1,0
178  К178	р-МДП	201.14-1  401.14-2	15			80		1,0	
К187	эсл	201.14-1	15		5	45	100	0,01	
К188	кмдп	405.24-1	32			0,1		0,6	
201  К201	РТЛ	«Тропа»	6			30	38	0,35	
202	ДТЛ	«Тропа»	8			20	70	0,22	
204 К204	РЕТЛ	«Трапе- ция»				40	70	0,4	3
205	РТЛ	«Трапе-	2	4	3	8	' 50	0,25	
		1 ция»					*		
Продолжение табл. 3.18

Параметры						Условия эксплуатации			
напряжение, В			Источники питания						
	U'	б'пом	ЧИСЛО	номинал.	ДО-	диапазон рабочих температур △ Гр, °C	вибрации		MHO-
				В	пуск, %		/.Гц	g	 го- крат- ные уда- ры, g
-2,0  -2,0  0,4  0,5  0,3  4,0 0,3  -2,0  -0,9 0,2  о,з  -0,3	-0,9 '-8,5  2,4  2,6  2,4  -7,5  8,2  -9,0  -1,9  4,1  3,5  -1,3	1,0 0,9  1,0  0,3  о,з  0,4	1  1  1  2  1  1  1  1  4 1  1  1  3  2	-5,0 5,0  5,0  3,0; 5,0  5,0 -27,0  9,0  27,0  -5,0  5,0  4,0  +4,0;  0,25  ±4,0	±5 ±5  ±5  ±5 ±5 ±10  ±5  ±10  ±5 ±10  ±10  ±5  ±5	-10 4+70 -10 4+70 -10 <4-70 -45 <4-85  -60 4+125 -104 4-70 -104+70 -454+70 -6044-85 -454-+70 -104+70 -60-4+85 -604+70 +Н+50 -604+70  -60++70 -254+55	5-600 5-600 5-600 1-2000  5-5000 5-600 5-600 5-600  5-3000  5-600 5-600  5-5000 5-5000  5-500 5-5000  5-5000  1-600	5  5  5  10  40  5  5  5  15  5  5  40  40  5  40  40  10	15  15  15  75  150  15  15  15  75  15  15  150  150  15  150  150  75
0,3	1,4	0,1		4’0	1	±10	-604 +70	5-5000^	40	150
210  К210	' РТЛ		3	4		30		1,2		-0,2	-4,3	0,3	2	±6,3 '		-Ют+70 \ -10т+70	5-Ю00\ 1-600	7,5 \  7,5 \	75  75
211	РТЛ	236МП17-1				35	65	0,5		0,3	1,3	0,1	1	3,о	+ 15	-60++70	5-5000	40	75
															-5				
215	дтл	«Тропа»	5		8	20	70	0,15		-0,3	-1,4	0,3	3	±4  -0,25	±5	-604+70	5-5000	40	150
217 К217	дтл	«Посол»	4	8	8	20	40	0,04		0,3	2,6		2	3,0; 6,0	±10	-604+70  -304+70	5-5000  5-600	40 5	150  15
218 К218	ДТЛ	151.15-2	3			28			2,0	0,15	4,0	0,8	2	1,2 . 6,3	±10	-60++70  -45++70	5-5000  1-600	40  10	150  15
221	ДТЛ	151.14-3	2	6	12	15	50		2,0	0,3	2,3	0,5	1	4,0	±10	-60 4+70	5-5000	40	150
223 К223	ЭСЛ	«Вага-16»	4	10		120	300	0,05	50,0	-0,8	-1,45	0,15	1	-4,0	±10	-60++70	5-2000  5-600	10  5	35  15
229 К229	ЭСЛ	421.50-1	20	25			1400	0,01	70,0	-0,8	-1,5	0,15	1	-5,0	±10	-604 +70  -45++55	5-5000  5-600	15  10	75  75
230										0,35	2,3			5,0	±10	-60++-70	5-3000	15	75
К230	ТТЛ	421.50-1				1000	1700		10,0			0,3	1			-10 ++70	5-600	10	75
231	РТЛ	421.48-1	4			35		2,2	0,3				1	4,0	±10	-60 т+85	5-5000	40	150
240	дтл	155.36-1	3	6		300	420	0,2		0,5	2,5	0,4	2	3,0; 5,0	±10	-60++70	5-3000	15	35
243										0,25	2,3	0,25		3,0	±10	-60++70	5-5000	40	150
К243	ТТЛ	«Тропа»	4	16	3	20	40	0,01					1			-1++50	5-600	5	15
К500	ЭСЛ	238.16-2						0,003		-1,0	-1,6	0,15	1	-5,2	±5	-10++75	1-600	10	75
К511	дтл	201.14-7	25	200			360	0,4		1,5	12,0		1	25,0	±10	-104+75	1-600	10	75
К.531	ттлш	201.16-1								0,5	2,7		1	5,0	±5	-10++70	1-600	5	15
К555	ттлш	238.16-2								0,5	2,4		1	5,0	±5	-104+70	1-600	5	15
КР559	ТТЛ	238.16-2								0,7	2,6		1	5,0	±5	-104+70	1-600	5	15
К561	кмдп	238.16-2								0,01	9,9		1	16,0	±5	-454+85	1-600	5	15
106 Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы
—— - .

схем составила (0,1 4-0,4) • 10-6 1/ч при уровне достоверности
50%. По данным фирмы «General Motors», испытавшей 125 000
гибридных ИС восьми различных изготовителей, интенсивность
отказов оказалась равной (0,2184-0,874) • 10-6 1/ч при 90% досто-
верности.

В 1970 г. появились сообщения о разработке ИС с X =5Х
ХЮ’8 4-1,8 • Ю-Н/чиБИС с X =3 • 10~74- 1,1 • 10“4 1/ч. Для ориен-
тировочных расчетов надежности при конструировании ЭВМ
интенсивность отказов ИС следует принимать равной 1 • Ю~7
1/ч.

Особое место среди ИС занимают микропроцессоры и микро-
процессорные комплекты БИС. Их особенность заключается в
том, что, с одной стороны, они рассматриваются как ИС, конструк-
тивно оформленные в одном из известных типов корпусов, а с
другой —как вычислительное устройство или его часть. Как ИС
микропроцессор может быть охарактеризован совокупностью
параметров, о которых речь шла выше. Как вычислительное
устройство микропроцессор характеризуется: 1) разрядностью
обрабатываемых данных и выполняемых команд (микрокоманд);
2) способностью к наращиваемости разрядности; 3) временем
выполнения команды типа «регистр — регистр» и «регистр —
память»; 4) числом команд (микрокоманд); 5) наличием микро-
программного управления; 6) числом внутренних регистров (РОН,
индексных, арифметических, вспомогательных); 7) возможностью
обеспечения режима прерывания; 8) числом уровней прерыва-

Таблица 3.19

Серия комплекта БИС	Функцио- нальный аналог	Техноло- гия	Число БИС	Разряд- ность, бит	Время выполне- ния мик- рокоманд, мкс	Мощность потребле- ния, Вт
К145	—	р-МДП кмдп л-МДП	77	4	0,6	0,2 0,03 0,5
К1814	TMS-1000	р-МДП	2	4	1,2	0,07
КР587	—	кмдп	3	4л	6,0	0,01
К588	—	—»—	8	16л	5,0	0,01
КР580	18080	л-МДП	10	8	2,0	1,3
КМ1813	12920		1	—	—	—
К1801	—		8	16	2,0	1,0
К1810	18086	—»—	9	16	1,0	1,2
КР1816	18048/8748		2	8	—	—
К589	13000	ттлдш	9	2п	0,12	1,0
КР1802	—		3	8л	0,14	1,6
КМ1804	Ам 2900		9	4л	0,12	1,5
К583	—	—»—	10	8л	1,0	150 мА
К584	SBP 0400	—»—	4	4л	2,0	150 мА
К1800	М10800	эсл	9	4л	0,04	0,8
ния; 9) типом интерфейса; 10) возможностью обработки десятич-
Hbix кодов; 11) наличием и объемом стека; 12) объемом адресуе-
мОй памяти; 13) наличием канала прямого доступа к памяти;
]4) числом входных и выходных шин и их разрядностью;
15) наличием резидентного ассемблера; 16) наличием кросс-
ассемблера; 17) наличием управляющей программы; 18) нали-
чием трансляторов с языков высокого уровня; 19) числом ИС,
входящих в комплект; 20) числом ИС комплекта, необходимым
и достаточным для построения 16-разрядной микро-ЭВМ.

В табл. 3.19 приведены основные параметры выпускаемых
отечественной промышленностью универсальных микропро-
цессорных БИС (под универсальностью понимается возможность
построения различных вычислительных средств).

Примечание. На специализированном МП строится только один тип
ЭВМ.

§ 3.3

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Широкое применение в микроэлектронных ЭВМ нашли
печатные платы, позволившие увеличить надежность элементов,
узлов и машины в целом, технологичность (за счет автомати-
зации некоторых процессов сборки и монтажа), плотность раз-
мещения элементов (за счет уменьшения габаритных размеров
и массы), быстродействие, помехозащищенность элементов и
схем. Печатный монтаж —основа решения проблемы компоновки
микроэлектронных элементов. В наиболее развитой форме
(многослойный печатный монтаж) он удовлетворяет требова-
ниям конструирования • вычислительных машин третьего и по-
следующих поколений.

Примечание. Основные принципы изготовления и применения печат-
ных схем стали известны в начале XX в., однако промышленный выпуск
печатных схем и плат был организован лишь в начале 40-х годов. В вычисли-
тельной технике печатные платы (с одно- и двусторонним печатным монта-
жом) начали применяться в машинах второго поколения. При использовании
дискретных элементов требования к печатному монтажу в основном сво-
дились к обеспечению технологических и эксплуатационных параметров.
К размерам печатных проводников, их однородности, постоянству характери-
стик диэлектрика и металлической фольги особенно жестких требований не
предъявлялось. Допуски на их изменение были достаточно большими.

С переходом на микроэлектронные элементы, резким уменьшением
размеров и возрастанием быстродействия схем первое место занимают во-
просы обеспечения постоянства характеристик печатных проводников и
взаимного их расположения. Усложняются задачи проектирования и оптималь-
ного конструирования печатных плат и элементов.

При разработке конструкции печатных плат проектировщику
необходимо решать задачи: схемотехнические— трассировка
Печатных проводников, минимизация количества слоев и т. д.;
Радиотехнические— расчет паразитных наводок, параметров
линий связи и т. д.; теплотехнические— температурный режим
работы печатной платы, теплоотвод и т. д.; конструктивные—
размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы,
контактирование и т. д,; технологические— выбор метода изго-
товления, защита и т. д. Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от
выбора метода изготовления зависят точность размеров провод-
ников и их электрические характеристики, от расположения
печатных проводников —степень влияния их друг на друга и т. д.

Основные виды современных печатных плат и особенности их
конструкции. По числу проводящих слоев печатные
платы (ПП) могут быть одно-, двух- и многослойными. Одно-
и двухслойные ПП называют также одно- или двусторонними,
так как проводящие слои в них располагаются с одной или с двух
сторон диэлектрика. Многослойные печатные платы (МПП) по
сравнению с двумя другими видами плат обладают существенно
большей плотностью размещения печатных проводников,
меньшими потерями сигналов в них, меньшими массой и габа-
ритами, приведенными к одному слою проводников.

По виду материала основы ПП изготовляют на базе
органического диэлектрика, керамических материалов и металлов.

По виду соединений между слоями ПП изготов-
ляют с металлизированными отверстиями, пистонами, послойным
наращиванием, открытыми контактными площадками, высту-
пающими, а затем подогнутыми выводами каждого слоя.

По плотности проводников различают ПП свобод-
ные (ширина проводников и расстояние между ними не менее
0,5 мм) и уплотненные (ширина проводников и расстояние между
ними до 0,25 мм).

По способу изготовления ПП разделяют на платы,
полученные химическим травлением, электрохимическим
осаждением, комбинированным способом. От способа изготов-
ления зависят конечные характеристики ПП, так как характер
химической обработки влияет на диэлектрические свойства
материала основы.

По способу нанесения проводников ПП разделяют
на платы, полученные обработкой фольгированных диэлект-
риков и полученные нанесением тонких слоев токопроводящих
паст. Последний способ более точен, производительнее и хо-
рошо отработан микроэлектроникой при производстве гибрид-
ных схем.

а)

Рис. 3.29. Сечение одно- (а) и
двусторонней (б) печатной платы
на основе фольгированного ди-
электрика в разрезе:
/ — диэлектрическое основание; 2 —
монтажные отверстия; 3 — печатные
проводники; / — металлизация пере-
ходного монтажного отверстия
На рис. 3.29 приведены одно- и двусторонняя печатные пла-
ты в РазРезе> изготовленные методами фотохимической обра-
ботки фольгированного диэлектрика. В качестве материала
основы наиболее широко используются текстолит, гетинакс,
стеклотекстолит. Толщина печатных проводников определяется
толщиной фольги исходного фольгированного материала
(обычно 35 или 50 мкм).

Рис. 3.30. Сечение многослойной
печатной платы с металлизирован-
 ними отверстиями:

] — диэлектрическая основа; 2 — монтаж-
ное отверстие; 3 — металлизация пере-
ходного (монтажного) отверстия; 4 —
внутренние слои печатных проводников;
5—наружные печатные проводники

На рис. 3.30 схематически представлено сечение многослойной
печатной платы, полученной одним из распространенных спо-
собов — металлизацией сквозных отверстий. Электрическое со-
единение между проводниками слоев осуществляется металлиза-
цией переходных отверстий путем осаждения в них меди, кото-
рая замыкается с оголенными и очищенными после сверления
отверстий прододящими слоями.

В качестве исходных материалов для изготовления одно-,
двух- и многослойных печатных плат используются фольгирован-
ные диэлектрики, марки и параметры которых приведены в табл.
3.20.

Таблица 3.20

Марка диэлектрика	Материал	Толщина материала, м	Толщина фольги, мкм
НФД-180-1	Диэлектрик низкочастотный фольги- рованный	0,8-3,0	50
СФ-1 СФ-2	Стеклотекстолит фольгированный	0,25-2,0	35 и 50
ФДТ-1  ФДТ-2	Диэлектрик фольгированный тонкий	0,5	50
ФДМ-1	Диэлектрик фольгированный для мно-	0,2	35
ФДМ-2	гослойного печатного монтажа	0,25	35
ФДМЭ-1	Диэлектрик фольгированный для мик- роэлектроники	0,1	35
э	Стеклоткань, пропитанная лаком «ЭИФ»	0,06-0,12	
отсф-1	Стеклотекстолит фольгированный	0,15	50
ОТСФ-2	особо тонкий	0,20	
ФДМТ-1	Фольгированный травящийся диэлек-	0,1	35
Продолжение табл. 3 jq

Марка диэлектрика	Материал	Толщина материала, м	'—  Толщина фольги, мкм
ФДМТ-2 1  СПТ-3  ФТС-1	трик для многослойного печатного мон- тажа  Стеклоткань прокладочная травя- щаяся  Стеклотекстолит фольгированный	0,025  0,08; 0,15	20-35
ФТС-2  СТФ-1  СТФ-2	травящийся  Стеклотекстолит теплостойкий фоль- гированный	0,5  0,13; 0,15;  0,20; 0,25;	35
«Спофа- дит»	Диэлектрик фольгированный с тонко- мерной фольгой	1,00; 2,5	5

Широкое распространение в настоящее время получают
МПП на керамической основе. Применение керамики вместо
органических диэлектриков позволяет существенно улучшить
теплоотвод от активных элементов, повысить плотность ком-
поновки микросхем (особенно с использованием микрокорпусов),
снизить уровень помех и т. д. В настоящее время разработаны
два способа изготовления керамических МПП): 1) послойного
наращивания и спекания и 2) групповой обработки.

Взависимости от используемого способа изго-
товления получают две различные конструкции МПП

а)
ол*ол

Рис. 3.31. Сечение керамической много-
слойной печатной платы:

а — полученная методом послойного наращива-
ния и спекания; полученная групповым
методом

(рис. 3.31). В первом слу-
чае (рис. 3.31, а) толщина
платы не превышает 2 мм
(для десяти проводящих
слоев), на верхний наруж-
ный слой выведены только
контактные площадки раз-
мером 0,4 X 0,4 мм. Все
проводники связей и пере-
ходные площадки размером
0,6 X 0,6 мм располагаются
на внутренних слоях. Здесь
же могут быть помещены
отдельные слои для шин
питания и экранов. Во вто-
ром случае (рис. 3.31, б)
толщина платы достигает
3,5 мм (так же для десяти
слоев); в остальном конст-
рукция платы подобна
предыдущей.
Недостатком керамических плат, полученных первым
способом, является ненадежная адгезия контактных пло-
щадок. Этого недостатка лишены платы, полученные вторым
способом, однако масса последних почти в два раза выше.

Увеличенная масса и сравнительно небольшие линейные
размеры (в настоящее время известны платы размером не выше
150X150 мм) —общий недостаток МПП на керамической основе
по сравнению с платами на органической основе.

Интенсивные поиски ведутся также и в направлении ис-
пользования металлической основы для печатных плат, в том
числе и многослойных. Известны удачные попытки создания и
использования печатных плат на основе стальных, алю-
миниевых и инваровых листов, поверхность которых оксиди-
руется или покрывается тонким слоем изоляции из керамики,
эмали и другого диэлектрика. Поверх диэлектрика наносятся
(например, способом шелкографии) печатные проводники,
резисторы, конденсаторы, индуктивности, а затем монтируются
бескорпусные ИС или ИС в микрокорпусах. Стоимость таких
плат сравнительно невелика, их размеры ничем не ограни-
чиваются, по своим тепловым и механическим параметрам они
хорошо подходят для эксплуатации в условиях высоких темпе-
ратур и высоких ударных нагрузок. Кроме того, стальная
эмалированная подложка при определенных режимах может
быть подвержена формовке, что придает новые качества
печатным платам на такой основе. Эта плата намного превос-
ходит пластмассовую по теплопроводности, даже если со
стальной основой нет непосредственного контакта. Обеспечив
непосредственный контакт таких плат с корпусом прибора,
можно существенно улучшить, его тепловой режим.

По сравнению с платами на керамической основе платы на
стальной основе более прочны и обладают лучшими тепловыми
и электрическими характеристиками. Металлическую основу
таких плат можно использовать в качестве шин питания, шины
земли или экрана.

Недостаток плат на стальной основе с эмалевым покрытием —
высокая диэлектрическая постоянная эмали (6,5), что исключает
использование таких плат в высокочастотной аппаратуре.
Этого недостатка лишены печатные платы с металлическим
основанием, изготовленные глубоким оксидированием поверх-
ности металла (предварительно просверленного в необходимых
местах),защитой лаком подготовленной поверхности и последую-
щим нанесением печатных проводников с металлизацией
отверстий одним из известных способов.

Элементы расчета электрических параметров печатных схем.
В радиоэлектронных изделиях печатные проводники, электриче-
ски объединяющие те или иные элементы схемы, проходят
на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют отно-
сительно малые линейные размеры сечения. При большом вре.
мени переключения и малых тактовых частотах параметры печат-
ных проводников, соединяющих выходы одних элементов со
входами других, не оказывают существенного воздействия на
быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость
элементов.

С увеличением быстродействия схемы все большее значение
приобретают вопросы высокочастотных связей между элемента-
ми. При этом становится обязательным определение не только
параметров той или иной линии связи (сопротивления, емкости,
индуктивности и т. д.), но и степени влияния их друг на друга
(паразитную емкость, взаимоиндуктивность и т. д.). Это особенно
важно в микроэлектронных изделиях, так как время переключения
элементов составляет единицы наносекунд и плотность разме-
щения микросхем достаточно высока.

Электрические параметры элементов печатной схемы зависят
от целого ряда факторов, в большей или меньшей степени
влияющих на изменение расчетных величин: режима работы
схемы, применяемого для изготовления схемы материала, за-
щитных покрытий, технологии изготовления и т. д. Комплекс-
ный учет всех этих факторов достаточно сложен и поэтому
нецелесообразен на этапе проектирования печатной схемы.
Здесь необходим ориентировочный с достаточной степенью
точности расчет, который затем проверяется и уточняется после
изготовления и испытания первой партии печатных схем.

Постоянный ток в печатных проводниках.
Постоянный ток в печатном проводнике распределяется равно-
мерно по его сечению при условии, что материал проводника
однороден и не имеет локальных посторонних включений других
веществ.

Сопротивление проводника шириной Ь (мм) и толщиной
1п (мкм)

/(&/„).]

где р—удельное объемное электрическое сопротивление про-
водника, мкОм/м; /п —длина проводника, мм.

Величина р для проводников, изготовленных различными
методами, неодинакова. Так, для медных проводников, полу-
ченных электрохимическим методом, удельное объемное сопро-
тивление рекомендуется принимать равным 0,02—0,03 мкОм/м,
а для медных проводников, полученных методом химического
травления,— 0,0175 мкОм/м.

Исходя из требования допустимого перегрева печатных про-
водников (80°С) экспериментально для них установлена допус-
тимая плотность тока уДОп (около 20 А/мм2 для проводников,
полученных электрохимическим методом, и около 30 А/мм2
1ЛЯ проводников, полученных методом химического травления).
Исходя из этого допустимый ток в печатных проводниках

/та х = 1 0 - 3 Уд„„ Ь t„.	(3.1)

Из (3.1) следует, что для стабильной работы печатных про-
водников должно соблюдаться неравенство

где /-ток, протекающий в печатном проводнике.

Расчет на допустимую плотность тока следует проводить
для узких проводников (b < 1 мм), в которых ток превышает 2А.
Для цепей, в которых токи не превышают 2А, расчет на допус-
тимую плотность тока при ширине проводников b > 1 мм и тол-
щине /п^50 мкм можно не проводить.

Падение напряжения на печатных проводниках

дц=р[/,,/(&/„)] =Ю-!ру/„.

(3.2)

Для приближенных расчетов можно принять, что на каждом

сантиметре длины медных проводников, полученных электро-
химическим методом, при их ширине 1 мм и толщине 50 мкм
теряется до 6 мВ, для тех же проводников, полученных методом
химического травления, это значение доходит до 4 мВ (при усло-
вии, что v =20 А/мм2).

Переменный ток в печатных проводниках.
В противоположность постоянному току распределение пере-

менного тока в печатных проводниках происходит неравномерно.
Это обусловлено наличием поверхностного эффекта, возни-

кающего при протекании по проводнику высокочастотного
переменного тока. При этом внутри проводника образуется

магнитное поле, приводящее к возникнове-
нию индукционного тока, взаимодейству-
ющего с основным. Вследствие этого
происходит перераспределение тока по
сечению проводника, и в результате его
плотность в периферийных областях сече-
ния проводника возрастает, а ближе к
Центру уменьшается. На очень больших
частотах ток во внутренних слоях про-
водника практически равен нулю
(Рис. 3.32).

Явление поверхностного эффекта мо-
жет быть количественно охарактеризовано
эффективной глубиной проникновения
т°ка, которая для немагнитных проводни-
ков определяется по формуле

— 0,5 )/ р// — ip / j/f я

Рис. 3.32. График рас-
пределения высокочас-
тотного тока по сече-
нию печатного провод-

ника
114 Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы
. _ . . . 1 . ----------------------------------------------------

где /—частота, мГц; V =0,5	—коэффициент, зависящий

от свойств токопроводящего материала и покрытия [значения
коэффициента у для различных материалов приведены в
табл. 3.31].

Таблица 3.21

Материал	V	0. Ю-о
Серебро	0,064	2,54
Медь	0,066	2,65
Золото	0,077	3,08
Алюминий	0,084	3,34

При определении сопротивления печатного проводника пе-
ременному току часто пользуются понятием удельного поверх-
ностного сопротивления (сопротивление квадратной площадки
проводника со стороной 1 см):

i^ = o/Г,

где 0 = 20vp~— коэффициент, значения которого представлены
в табл. 3.21.

На основании вышеизложенного сопротивление печатного
проводника на высоких частотах

Сопротивление наиболее распространенных в технике
печатных плат плоских медных проводников на высоких
частотах

/?/M = 0,013g /г	(3.3)

Рис. 3.33. Графическая за-
висимость коэффициента
концентрации £ тока на уг-
лах сечения проводника от
отношения его ширины b
к толщине tn

где I —коэффициент концентрации
тока на углах сечения проводника
(зависимость g от отношения ширины
' плоского проводника к толщине
b /tn показана на рис. 3.33).

Если медный проводник покрыт
слоем какого-либо другого металла,
то в числитель (3.3) следует ввести
поправочный коэффициент р== /р/Рм.
где р —удельное (объемное) сопро-
тивление материала покрытия, а
рм—удельное сопротивление меди.

Емкость и индуктивность
между печатными проводни-
ками. Емкость между печатными
Рис. 3.34. Варианты взаимного расположения проводников печатных
плат

проводниками, используемыми в качестве линий связи в ло-
гических схемах (так же как и индуктивность и взаимоиндук-
тивность), служит источником помех, оказывающих существен-
ное влияние на работу аппаратуры. Более подробно вопросы
возникновения помех и их расчета рассмотрены в гл. 6.
Здесь же указаны лишь формулы для расчета собственной
емкости и индуктивности печатных проводников, а также
взаимной емкости и индуктивности между двумя близко рас-
положенными печатными проводниками. На рис. 3.34 представ-
лены некоторые часто встречающиеся конфигурации печатных
проводников связи и различные варианты их взаимного рас-
положения.

Емкость (пФ) между двумя параллельными печатными
проводниками одинаковой ширины Ь (мм), расположенными на
одной стороне платы (рис. 3.34, а),

_	0,12ег/п	.

1g [2а/(& + /„)] ’ 	* • >

где /п —длина участка, на котором проводники параллельны
ДРУГ другу, мм; ег —диэлектрическая проницаемость среды.

Емкость (пФ) между двумя параллельными проводниками
Шириной Ь (мм), расположенными по обе стороны печатной
платы с толщиной диэлектрика а (мм) (рис. 3.34, б),

C-0.0088<2M.|[l+JL(l + lg^)].	(3-5)
Емкость (пФ) проводника печатной платы, у которой на
обратной стороне имеется заземленная пластина (рис. 3.34, в)

С_0.008842м4[|+^.(1 + |г^.')].	(з.в)

Выражения (3.4) —(3.6) позволяют произвести оценку емкости
(пФ) печатных проводников с точностью ±(20 4-30)%. Для более
точных расчетов следует пользоваться общей формулой

C = dnk,

где е — действующая диэлектрическая проницаемость среды,
равная 0,5 (1+ ег) для случая на рис. 3.34 а и равная гг для
случаев на рис. 3.34, б, в; ^—поправочный коэффициент, значе-
ние которого определяется по графикам, изображенным на
рис. 3.35.

Рис. 3.35. Графическая зависимость
поправочного коэффициента к от
отношений расстояния а между про-
водниками к их ширине Ь\

Рис. 3.36. Номограмма для опре-
деления значения емкости печатно-
го конденсатора

Емкость (пФ) печатного конденсатора, электроды которого
расположены по обе стороны печатной платы (рис. 3.34, г),
при условии, что толщина платы много меньше линейных
размеров обкладок конденсатора,
С = 8,5-10 3Ьсе.г/а,

где Ь, с, а —см. рис. 3.34, г.

С учетом клеевого слоя емкость
с 8,5-10~3bcef
а/ег + ак/ек ’

где и ек— соответственно толщина и диэлектрическая про-
ницаемость клеевого слоя.

Иногда по заданной емкости, толщине и диэлектрической
проницаемости печатной платы требуется определить площадь
обкладок конденсатора. При этом удобно пользоваться номо-
граммой, представленной на рис. 3.36.

Собственная индуктивность (мкГн) печатного проводника
шириной Ь (мм) толщиной tn (мм) и длиной /п (мм)

Z. = 0,0002/[1(lg-^- + 0,2235-^±^- +0.5).	(3.7)

\ in'T’P	mi	'

Индуктивность двух параллельных печатных проводников
шириной b (мм), расположенных с одной стороны печатной платы
с зазором а (мм) (см. рис. 3.33, а), с противоположным направ-
лением тока в них

L = 0,004/„(ln^iL _ -°Z± + о,2235-^±1 + 1 .б).
\	In	Zn	/

Если размеры сечений проводников различны, то индук-
тивность такой пары

L =	^2— 2Л4,

где Lb L2— собственная индуктивность (мкГн) соответственно
первого и второго печатных проводников шириной и Ь2,
определяемая по (3.7); М— взаимная индуктивность (мкГн)
проводников, определяемая при условии /п> lO^, +/>2+£з):

М = 0,002/п(1п	*п + а + &|/2+Ьг/2 ч

\ а + &,/2 + &2/2	/„	/

Взаимная индуктивность двух печатных проводников, рас-
положенных по прямой на одной стороне платы с малым
зазором между их совпадающими концами (см. рис. 3.34, д),
м=о,о2зГ/„|1ё /n+z"2 +/„2ig--'^—)-ю-!.

Если же концы проводников разнесены на значительное
Расстояние (см. рис. 3.33, е), то взаимная индуктивность (мкГн)

М = 0,023[(/„| + /ll2 + a)lg(/„i +/„г + а)+alga —

Gni + a)lg(/ni + a) (/„г + a)lg(/„2 + a)]• 10 3.
Проводники различной длины, расположенные параллельно
по одну сторону печатной платы (см. рис. 3.34, ж\ обладают'
взаимной индуктивностью, определяемой формулой

М = 0.002[4.61,,lg	-	+2 ЭД1, +

+<.Л	_ ^1МГ+°2 ]

' 1п2—/п|4~г(/пУ— /„.) 4*0 '	J

Печатные проводники связей между логическими элемен-
тами характеризуются волновым сопротивлением, знание
которого необходимо при согласовании быстродействующих
микросхем. Короткие связи (до 80 мм) выполняют чаще всего
в виде одиночных печатных проводников (см. рис. 3.34, а\
более длинные связи —в виде несимметричных и симметрич-
ных полосковых линий (см. рис. 3.34, в, з).

Расчет волновых сопротивлений (Ом) печатных линий для
симметричной и несимметричной полосковых линий можно
производить соответственно по следующим приближенным
формулам:

Zo=(60/ А7) In (2,55а//); zo = (6O/ /ё/) 1п(1,75а/&).

Эти выражения с достаточной степенью точности позволяют
определять значение волнового сопротивления при tn<b,
tn<a, b> а. Во всех других случаях для определения волновых
сопротивлений печатных проводников связи следует пользо-
ваться. номограммами и графиками, приведенными в справоч-
ной литературе по волноводной технике.

Часто при конструировании печатной платы необходимо

решить обратную задачу: по
лению печатной линии связи

Рис. 3.37. Графические зависимо-
сти волнового сопротивления сим-
метричной полосковой линии от
соотношения геометрических раз-
меров печатных проводников

заданному волновому сопротив-
требуется найти ее геометрию.
Для симметричной полосковой
линии эта задача может быть
решена с помощью графика,
приведенного на рис. 3.37.

Автоматизация проектирова-
ния печатных плат. Рост слож-
ности конструкции электронной
вычислительной аппаратуры не-
избежно ведет к росту, слбжности
печатных плат как основы для
осуществления электрических
связей между составляющими
аппаратуру элементами. Увели-
чение числа и типов элементов,
числа выводов корпусов ИС
усложняет электрическую схему
машины, насыщает ее электрическими проводниками. Трасси-
ровка этих проводников в одной, двух или нескольких плос-
костях (для одно-, двух- и многослойных печатных плат)
представляет собой сложную математическую и инженерную
задачу, решение которой на современном этапе развития техники
ЭВМ невозможно без использования мощных вычислительных
средств.

Принципиально задача размещения элементов и проводников
между ними может быть решена вручную. Однако для этого
потребуется много конструкторов, длительное время трас-
сировки проводников, скрупулезная проверка и исключение
ошибок. Задача еще более усложняется, если учитывать (а это,
как правило, необходимо делать) специфичность отдельных
проводников, например особую чувствительность к перекрест-
ным помехам, необходимость выполнения минимальной
длины и т. д.

По существу, задача трассировки проводников в одной или
нескольких плоскостях сводится к полному перебору всех воз-
можных вариантов размещения соединяемых элементов и на-
хождения оптимального. Критерием оптимальности является
минимальная сумма длин всех размещаемых на плате печатных
проводников.

Задачу получения схемы соединения элементов можно раз-
делить на четыре подзадачи: 1) установление списка проводни-
ков; 2) распределение проводников по слоям; 3) упорядочение
проводников; 4) размещение проводников. Список проводников
устанавливает, каким образом должны быть соединены эле-
менты некоторого множества S,. Например, если В, С},
то элемент А должен быть соединен с элементом В, а элемент
В —с элементом С, либо элемент А — с элементом В и с элемен-
том С, либо должен быть введен новый элемент D, с которым
будут соединены элементы А, В и С.

После того как получен список проводников, задача распре-
деления их по слоям состоит в том, что каждому слою kt ста-
вится в соответствии определенное число проводников, причем
проводники в пределах одного слоя не должны пересекаться.
В общем случае число слоев к необходимо минимизировать.

После распределения проводников по слоям решается за-
дача упорядочения, т. е. определение последовательности
соединения т пар точек в пределах /с,-го слоя. Оптимальная
последовательность выполнения соединений может ' дать в
результате минимальную суммарную длину проводников в
пределах одного слоя. Стремление к минимизации суммарной
Длины проводников диктуется необходимостью уменьшения
задержек сигналов, потерь на сопротивлениях проводов,
Уровня помех и т. д.

Размещение проводников состоит в определении пути
соединения между двумя несвязанными соединениями. Этот
этап проектирования является наиболее трудоемким.

Исходными данными для решения задачи проектирования

печатного монтажа являются: размер монтажного поля; ми-
нимально допустимая ширина печатных проводников и рас-
стояний между ними; форма контактных площадок; число
слоев (монтажных плоскостей); способы перехода из одного слоя
в другой; расположение выводов элементов; геометрия и
координаты участков, запрещенных для раскладки проводни-

ков; электрическая схема размещаемого на плате узла.

Требуется соединить все входящие в электрическую схему
элементы, выполнив следующие условия: 1) соединения должны
соответствовать электрической схеме: 2) соединение макси-
мальной длины должно быть минимизировано; 3) суммар-
ная длина всех проводников должна быть минимальной;
4) число пересечений проводников на плате должно быть
минимальным. Так как в пределах одного слоя пересечения

не допускаются, то это условие определяет минимизацию

числа слоев в печатной плате; 5) распределение межслойных
соединений на плате должно приближаться к равномерному.

Рис. 3.38. Схема алгоритма по-
следовательного размещения уз-
лов на печатной плате

Рассмотрим некоторые алго-
ритмы решения задачи автоматизи-
рованной разработки печатных про-
водников.

Алгоритм последова-
тельного размещения уз-
лов на печатной плате.
Алгоритм в своей основе имеет
оценку связности неразмещенного
узла с множеством других неразме-
щенных узлов и с множеством
размещенных узлов.

Примечание. Под узлом при этом
понимается один из электроэлементов,
размещаемых на плате и имеющих опре-
деленное число выводов, а под связ-
ностью — число связей i-ro элемента.

Каждый узел может быть раз-
мещен в любой из свободных
точек платы. В процессе решения
задачи определяется наиболее при-
емлемая позиция узла, т. е. такая,
при сохранении которой выполня-
ется критерий минимальности
суммарной длины проводников
на плате для уже размещенных
узлов.
Данный алгоритм решает задачу размещения узлов за N ци-
клов (2V—число размещаемых узлов, причем на каждом цикле
выделяется один из неразмещенных узлов и соответствующее
ему место на плате). Схема алгоритма приведена на рис. 3.38.

Блок 1. Вводятся координаты фиксированных точек, что в
начале решения задачи позволяет начать размещение узлов в
зоне, непосредственно прилегающей к разъему.

Примечание. Фиксированные точки — точки подсоединения кон-
тактов разъема на плате.

Блок 2. Вычисление коэффициента связности для мно-
жества неразмещенных модулей Е по формуле

п —i	N

Е‘= S k‘i — S
/=|	/ = п+1

где ку — число связей между z-м и j-м узлами; zz—число разме-
щенных узлов.

Отсюда коэффициент связности узла Е" показывает, насколь-
ко число связей этого узла с размещенными узлами больше
суммы его связей с неразмещенными.

Блок 3. Выделение наиболее связанного с размещенными
узлами свободного узла.

Блок 4. Вычисление суммарной длины проводников для
множества точек на плате производится из предположения,
что в эти точки помещен выделенный блоком 3 узел.

Блок 5. Выделение из множества незанятых точек на плате
для размещения определенного блоком 3 узла такой точки, для
которой величина L(i> минимальна.

Блок 6. Выполнение следующего шага алгоритма по вы-
делению и размещению узла Епг+' если не все узлы размещены.

Рассмотренный алгоритм и его модификации входят в состав
большинства действующих систем автоматизированного проек-
тирования аппаратуры.

Распределение проводников по слоям, выполняемое после
размещения элементов, учитывает степень «взаимодействия»
отдельных проводников при условии их одновременного распо-
ложения на одной плоскости. При этом возможен учет линей-
ных размеров проводников и зазоров между ними, поскольку
расположение контактных площадок уже установлено. Про-
стейшим способом является выделение некоторых преиму-
щественных направлений, группирование соединений в соот-
ветствии с выбранными направлениями и разнесение этих групп
на отдельные слои. Например, для двусторонних плат при-
меняют разделение вертикальных и горизонтальных проводников
на отдельные слои. Для многослойных плат в качестве направ-
лений могут быть выбраны оси определенных секторов круга.

Организация процесса трассировки проводников определя-
ется очередностью их прокладки. Наиболее распространено
упорядочение, основанное на физической длине проводников.
При этом их трассировка проводится в порядке возрастания
длин отдельных проводников. Здесь в качестве оценки длины
принимается кратчайшее расстояние между соединяемыми вы-
водами. Существуют также программы, в которых в первую оче-
редь прокладываются максимальные по длине проводники.
Обосновывается это тем, что такие проводники более трудны
для трассировки.

Выполнение последнего этапа автоматизированного проекти-
рования печатных плат —трассировки проводников —ведется по
способам, базирующимся на волновом алгоритме (алгоритме
Ли), суть которого заключается в следующем. Рабочее про-
странство-поле печатной платы (одного слоя) — разбивают по
некоторому правилу на ячейки, количество, конфигурация и раз-
меры которых определяются конструкцией проектируемой
платы, типом корпуса микросхем и размерами радиодеталей,
а также допустимой плотностью размещения компонентов.
Конфигурация ячеек может быть различной для одного поля,
что усложняет решение задачи. Наиболее естественным явля-
ется разбиение поля на одинаковые квадраты. Это дает удобную
адресацию ячеек в прямоугольных координатах.

Считается, что некоторые ячейки заняты. Занятость связана
с наличием проводников, проведенных на предыдущих этапах
решения задачи, а также с некоторыми граничными условиями
(краевыми ячейками поля, ячейками подключения радиодеталей,
микросхем, блоков). Всякий раз при проведении очередного пути
можно использовать лишь незанятые ячейки поля. Естественно,
что по мере решения задачи таких ячеек становится все меньше.

Пусть в построенном дискретном поле требуется провести
путь из ячейки А в ячейку В с выполнением ряда условий.
Идея алгоритма заключается в том, что на поле моделируется
распространение волны из ячейки А до тех пор, пока расширяю-
щийся фронт волны не достигнет ячейки В или на каком-либо
шаге фронт не сможет включить ни одной новой незанятой
ячейки (прц условии исключения пересечений различных путей).
Необходимые для проведения пути условия указывают в пра-
вилах, согласно которым движется фронт волны. Эту часть
алгоритма назовем «распространением волны». Если она вы-
полнена и ячейка В достигнута, то необходимо перейти ко второй
части алгоритма —«проведению пути». Если при соблюдении
требуемых условий она не выполняется, то, следовательно,
провести путь из Л и В невозможно.

Для проведения пути необходимо начиная с ячейки В пере-
ходить от ячейки к ячейке в направлении, противоположном
распространению волны, до тех пор, пока не будет достигнута
ячейка А. Пройденные ячейки и составляют искомый путь.
Используя приведенный алгоритм, получим путь в виде
ломаной, составленной из горизонтальных и вертикальных
отрезков. В частном случае, когда ячейки расположены на одной
вертикали или горизонтали, а соседние ячейки. не заняты
(соседние ячейки—ячейки, имеющие общую грань), путь пред-
ставляет собой прямую линию (вертикальную или горизон-
тальную).

Длина пути между двумя прямоугольными ячейками с ко-
ординатами %i, Ji и Х2,уг будет определяться как

$= 1%1—Хг| -\у\—у2\.

В то же время расстояние между этими ячейками в обычном
представлении

D= j/(xi—x2)2+(yi—y2)2 	<3-8)

Этап «Распространение волны» алгоритм выполняет путем
последовательного построения 1, 2, ...., /с-го фронтов, распростра-
няющегося от исходной ячейки А. Каждому фронту ставится в
соответствие определенная совокупность ячеек, называемая
окрестностью ячейки А. При этом к окрестности к ячейки А
принадлежат ячейки, входящие в z-й фронт для всех /< к.
На (к+ 1)-м шаге (к+ 1)-й фронт волны может или снова включить
ячейки /с-го фронта, т. е. остаться на месте, или перейти на ячейки,
соседние с ячейками /с-го фронта, но не вошедшие в /с-окрест-
ность. Если ФДЛ) —фронт ячейки А, О (Л) —ее окрестность, то
0(Л) = ОК-1(Л)4- Фк(А). Отсюда, если при принятых ограничениях
проведение пути невозможно, получим равенство значений
окрестности на /с-м и (/с+1)-м шагах: О*-1 (А) = Ок(А). В противо-
положном случае при каждом продвижении фронта (на каждом
шаге алгоритма) происходит расширение окрестности ячейки-
источника до тех пор, пока в нее не попадает другая ячейка —
конец пути. Тогда алгоритм выполняет этап «Проведение пути»
последовательным переходом от ячеек /с-го фронта к ячейкам
(/с— 1)-го фронта до тех пор, пока не попадет в исходную ячейку.

Процедура построения (/с+1)-го фронта начинается с при-
своения весов-ячейкам, соседним с ячейками /с-го фронта. Так как
вес Рк, присвоенный ячейке /с-го фронта, является функцией
весов ячеек (к— 1)-го фронта, а в более сложных случаях и не-
скольких предыдущих фронтов, то его значение определяет все
основные условия, которые необходимо выполнить при прове-
дении пути. Единственное ограничение, накладываемое на
функцию веса, следующее: веса ячеек предыдущих фронтов не
должны быть больше весов ячеек последующих фронтов.

Для иллюстрации процесса проведения пути между двумя
ячейками с использованием волнового алгоритма рассмотрим
Доле, разделенное на ячейки так, как представлено на рис. 3.39.
На рисунке следует провести
путь между ячейкой А с коор-
динатами хл = 6, Ул = 2 и ячей-
кой В с координатами хд = 2,
ув = 5 (обозначим ячейки соот-
ветственно индексами 6—2 и
2—5). Пусть на предыдущем
этапе решения задачи был про-
веден путь между ячейками
3—5 и 6—4 так, как представлено
на рис. 3.39. Следовательно, из
всего множества ячеек ячейки
3—5,	3-4,	3-3,	3-2,	3-1,	4-1

5-1,	6-1,	7-1,	7-2,	7-3,	7-4,

6—5 заняты и через них путь

D , ™ п	между ячейками Л и В прокла-

Рис. 3.39. Проведение пути по вол-	J	г

новому алгоритму	дывать нельзя.

Процесс присвоения весов
ячейкам предполагаем следующим: вес ячейки последующего
фронта на единицу больше веса ячейки предыдущего фронта,
т. е. Рк =Р^1+1.'

Пусть вес PQ ячейки 6—2, из которой начинает распростра-
нение фронт волны, равен нулю. Соседними с ячейкой 6—2
являются ячейки 6—1, 7—2, 6—3, 5—2, однако из них не заняты
только ячейки 5—2 и 6—3. Приписываем этим ячейкам вес
P^l, так как они вошли в состав первого фронта волны.
Соседними с ячейками первого фронта являются ячейки 6—2,
5—1, 4—2, 5—3, 6—4, 7—3, из них ячейка 6—2 входит в состав
предыдущего, нулевого, фронта, а ячейки 6—4, 7—3 и 5—1 заняты.
Поэтому в состав второго фронта входят только ячейки 4—2 и 5—3,
которым приписываем вес Рг = 2 и т. д. Ячейка В (2—5) будет
достигнута при построении девятого фронта, после чего этап
распространения волны заканчивается.

Построение пути производится соединением ячеек, имеющих
больший вес с ячейками, имеющими меньший вес. При этом
построение производится по приоритетным направлениям.
Для нашего случая приоритет следующий: вверх, влево, вниз,
вправо. Условие приоритета не позволяет переходить, например,
из ячейки 4—6 в ячейку 5—6. Результатом решения задачи по
волновому алгоритму является путь, проходящий по ячейкам
2-5, 2-6, 3-6, 4—6, 4-5, 4-4, 4-3, 4-2, 5-2, 6-2.

Схема программы, реализующей решение задачи выполнения
трассировки на одном слое печатной платы с использованием
волнового алгоритма, представлена на рис. 3.40. Программа
состоит из пяти частей, каждая из которых может быть выпол-
нена на ЭВМ независимо с выводом промежуточной инфор-
мации.
Г'вЪГ'Х

( исходных )
к данных J

Г-2—I-----

Очистка рада-
чеео поля
ztztzz
[Задание ера ниц
[рабочего поля

Рис. 3.40. Схема программы автоматической трассировки соединений
на печатной плате по волновому алгоритму

Останов

Часть I. В ней осуществляются ввод (блок Г) и предвари-
тельная обработка исходной информации. В качестве исходных
данных используются: габаритные размеры печатной платы,
монтажная схема, таблица монтажных соединений, схема
расположения выводов, корпуса применяемых микросхем,
особые требования. Блоки 2 и 3 программы осуществляют
очистку рабочего поля и задание его границ. Блок 4 производит
разбивку рабочего поля на ячейки с заданной дискретностью.
Затем происходит пересчет данных монтажной схемы в коорди-
наты рабочего поля Хи К. Для этого каждой микросхеме ставится
в соответствие какая-либо фиксированная ячейка, относящаяся,
например, к выводу, расположенному в левом верхнем углу ее
корпуса. По координатам этой ячейки определяются координаты
и Ум микросхемы (блок 5). Все выводы корпуса микросхемы
нумерованы и для каждого из них устанавливаются приращения
координат относительно выбранной ячейки △%, и Ду,. В этом
случае координаты z-ro вывода в j-й микросхеме х у=х}.4- Дх,;
У и =у} + /\у,..

Часть И. В этой части программы происходит установление
очередности проведения соединений, которая производит
Упорядочение пар ячеек v= 1, 2, 3,..., N, подлежащих соединению,
по расстоянию. Блок 6 вычисляет расстояние Sv между соединя-
емыми ячейками по (3.8). По окончании работы блока 6 устанав-
ливаются список расстояний, соответствующий списку пар
ячеек, и таблица соединений. Блок 7 устанавливает начальные
значения индексов т и /, необходимые для организации циклов
при проведении упорядочения. Блок 8 производит сравнение
расстояний Sa, и S/ путем определения их разности 7\=Si — Sm.

В зависимости от знака получаемой разности △ производится
передача управления блоку 9 или блоку 10. Если △ < 0, то
управление передается блоку 9, который меняет местами т-ю
и /-ю пары ячеек и соответственно т-е и 1-е расстояния. Затем
управление передается блокам 10—12 программы, осуществляю-
щим последовательное управление циклами по т и I с сохране-
нием условий и /<N.

По окончании работы II части программы все пары ячеек
находятся в списке в порядке увеличения расстояния между
НИМИ, Т. в. Sm+V^-Sm.

Часть III. Эта часть осуществляет моделирование распро-
странения волны, при котором приращение веса на каждом шаге
равно 1, а путевые координаты не присваиваются. Рассмотрим
/с-й шаг работы программы при проведении пути между парой
ячеек, выбранной из списка блоком 13. В блоке 14 производится
установление веса /с-го фронта Рк = Рк-14-1. Затем осуществляется
переход к блоку 15 считывания координат х,, у, очередной
ячейки, входящей в состав фронта Фк, и исследование ее окрест-
ности путем, выбора ячеек с координатами (х/+1; у,), (x»-i; у,),
(х<; y;+i), (х, ; y/-i). При этом по каждой паре координат произво-
дится определение занятости ячейки в блоках 17 и 18. Под
занятостью понимается как наличие ранее проведенного пути
(признак г] ), так и наличие веса Рк_} (признак £ ). Если ячейка с
текущей парой координат свободна, то ей присваивается вес
Рк (блок 19). В блоке 20 осуществляется проверка, не является ли
заполненная ячейка концом распространения волны. Если это
конец распространения, то управление передается IV части
программы. В противном случае координаты ячейки, только что
заполненной весом Рк, заносятся в массив ячеек фронта Фк.
Здесь же проверяется, не является ли ячейка с координатами
X,, у, последней в массиве Фь-i. Если она последняя, то
осуществляется переход к (к4- 1)-му шагу распространения волны.

В начале построения /с-го фронта устанавливается признак
Т=0. В случае приписывания веса Рк хотя бы одной ячейке
вырабатывается сигнал Т=1. При обращении к блоку 21 прове-
ряется признак Т. Если Т= 1, то переходят к (/с4- 1)-му шагу рас-
пространения волны. В случае Т=0, что соответствует отсутствию
свободных ячеек на всем фронте Фк, следует выбрать следующую
пару ячеек, подлежащих соединению.

После окончания работы III части программы для текущей
пары ячеек запоминаются последний приписанный вес и коорди-
наты ячейки окончания распространения фронта. Затем управ-
ление передается IV части.

Часть IV. Эта часть — программа проведения пути. Путь
начинается из конечной ячейки, которая сразу отмечается как
ячейка пути и ей приписывается признак занятости п . Рассмо-
трим к-й шаг работы программы. Пусть на (/с—1)-м шаге отме-
чена признаком занятости ячейка с координатами (х,, у,), ко-
торой был приписан вес на предыдущем этапе решения задачи,
равный Я-1. Блок 22 программы предназначен для установления
текущего значения веса А = 73-1 — 1. После него процесс решения
продолжает блок 23 формирования координат ячеек окрестности
аналогично соответствующему блоку в программе распростра-
нения волны. Однако при проведении пути. существенным
является порядок обхода этих ячеек, который должен соответство-
вать принятому приоритету направлений. Первая же ячейка из
окрестности, вес которой равен Рк, включается в путь (ей
присваивается признак пути п ) блоком 26. Затем в блоке 27
производится проверка, не является ли эта ячейка исходной при
построении распространяющейся волны, и если она не является
исходной, то управление передается снова блоку 22, который
устанавливает следующее значение веса Л-1=Л—1.

Если очередная ячейка, которой присвоен признак пути, явля-
ется его концом, управление передается блоку 28. Блок произ-
водит анализ списка пар ячеек, и если список не закончен, то
управление передается блоку 13, который выбирает следующую
пару ячеек, подлежащих соединению. Если список закончен,
управление передается V части программы.

Часть V. Эта часть —программа обработки выходной ин-
формации. В блоке 29 производится окончательная обработка
полученных соединений, фиксируются те пары ячеек, соединение
между которыми по каким-либо причинам не было проведено.
Далее управление передается блоку 30, который осуществляет
вывод полученной информации на внешние устройства.

К основным недостаткам волнового алгоритма относят тре-
буемый для организации вычислений большой объем памяти
ЭВМ и сравнительно большое время, необходимое для прове-
дения расчетов. В целях исключения этих недостатков разра-
ботаны алгоритмы, имеющие в своей основе волновой алгоритм,
но не требующие столь больших объемов памяти и времени
счета. Рассмотрим некоторые из них.

Модифицированный волновой алгоритм использует для вычи-
слений только пять символов (рис. 3.41). Требуется соединить
ячейки А и В. Через ячейки, которые заняты (заштрихованные
ячейки), путь проводить запрещается. Процесс решения начина-
ется с того, что всем незанятым ячейкам, соседним с ячейкой
Л приписывается символ а (рис. 3.41, а). Затем символ а припи-
сывается незанятым ячейкам, соседним с ранее отмеченными
б)

а	а		
а			d
а	о ,	а ь	Ь
ь	%.	ь ь	а
ь	%.	Ь а	а
а			

Рис. 3.41. Схема модифицированного
волнового алгоритма

этим же символом (рис.
3.41,/5). Далее незанятым
соседним ячейкам следую-
щего этапа приписывается
символ b и т. д. Процесс
продолжается в соответст-
вии со следующей буквен-
ной последовательностью:
аа bb аа bb аа ... После
того как будет достигнута

ячейка В, можно начать построение пути. При этом осуще-
ствляют переход от ячейки В к ячейке А, двигаясь по ячей-
кам в последовательности, обратной порядку приписывания
символов. Направление построения пути от ячейки к ячей-

ке осуществляют по принятому приоритету направлений
(рис. 3.41, в).

Лучевой алгоритм заключается в том, что фронт волны рас-

пространяется по путевым координатам, которые присваиваются
не всем незанятым ячейкам, соседним с источником /-го фронта
распространения волны, а лишь одной. Эта ячейка определя-
ется заранее заданным для данного луча порядком присвоения
путевых координат, например вверх, влево, вниз, вправо-и т. д.
Очевидно, что лучи, выходящие из разных источников, могут
встретиться только тогда, когда среди них имеется не менее
чем пара лучей с противоположным характером.

Применение специальной процедуры вывода лучей из тупи-
ков гарантирует проведение кратчайшей трассы, если таковая
вообще существует. Лучевой алгоритм менее универсален, чем
волновой, и позволяет прокладывать около 80% трасс, но он более
экономичен (время трассировки одной платы на ЭВМ средней
мощности 10—15 мин). Так же как и волновой, лучевой алгоритм
прокладывает трассу в два этапа.

Этап 1. Распространение фронтов лучей от обоих конечных
элементов трассы по заранее определенным направлениям.
Моделирование лучей оканчивается, когда на некотором эле-
менте встречаются лучи, распространяемые от разных концов
трассы (разноименные лучи). Одновременно с моделированием
всем элементам, по которым проходит луч, присваивают путе-
вые координаты, соответствующие номерам элементов, входя-
щих в (к— 1)-й фронт и соседних элементу /с-фронта. Таким обра-
зом, направление путевых координат всегда противоположно
направлению распространения. Обозначим лучи, распространяе-
мые от элемента А, Л-лучами, а от элемента В — 5-лучами.
При двухлучевом алгоритме от каждого конечного элемента
распространяется по два луча: Ах- и Л2-луч, В\- и 52-луч. Следо-
вательно, в этом случае каждый /с-фронт содержит не более
четырех элементов. Распространение каждого луча прекраша-
ется, когда он попадает в элемент, все соседние элементы кото-
рого заняты или запрещены.

Этап 2. Прокладка искомой трассы от элемента, в котором
встретились разноименные лучи, по путевым координатам до
конечных элементов А и В. Признаком того, что данную трассу
можно проложить, является появление на пространстве платы
элемента, имеющего признаки разноименных лучей. Обозначим
его Vab.

----2------1----------

Вычисление приоритет-

Рис. 3.43. Пример трассировки со-
единений с помощью лучевого
алгоритма

ны* направлении расп -
роотранзния лучей

----3 I

Вычисление координат
элементов множества }

Да

	

Присвоение путевых
координат множеству
свободных элементов



Да

Запись косрдина
ты трассы АВ

Г-S------1---------

Запись траосы Ав В
список неправеден-
ных соединений

Рис. 3.42. Схема лучевого алго-
ритма

Рассмотрим схему лучевого алгоритма (рис. 3.42).

Блок 1. Занесение в память координат конечных элемен-
тов трассы (хв; уа) и (хА; Уь).

Б л о к 2. Вычисление приоритетных направлений распро-
странения лучей по формулам:

,	, fl при ха —

a=sign(xa—Хь); а=<

10 при ха—Хь<0;

о /	, в f 1 ПРИ Уа — уь>0,

0 = sign(уа— уь); Р = <

10 при уа—уь<0.

Для примера,приведенного на рис. 3.43, a=sign (5—16) = 0;
₽ = sign (12-6) = 1.

Следовательно, А \ -луч должен распространяться вниз впра-
во. Это означает, что главное приоритетное направление —
направление, когда элемент /с-фронта имеет ту же абсциссу,
что элемент (к— 1)-фронта, а ординату —на единицу меньше.
s-X50
В том случае, если это направление блокируется занятым
или запрещенным элементом, движение луча выполняется по
направлениям’, при которых элемент Ar-фронта имеет ту же
координату, что и элемент (к+ 1)-фронта, а абсциссу —на еди-
ницу больше. Распространение луча в этом направлении осу-
ществляется до тех пор, пока не освободится путь для главного
приоритетного направления. Я2-луч должен распространяться
в направлении вправо вниз, т. е. у него приоритетные направ-
ления поменялись местами и главным стало направление
вправо. 5-лучи имеют приоритетные направления распростра-
нения, обратные тем, которые приписаны Л-лучам.

Блок 3. Вычисление координат элементов множества {0J.
Как было сказано выше, множество {0*} включает при двух-
лучевом алгоритме не более четырех элементов.

Блок 4. Проверка, имеются ли в составе фронта лучей
свободные элементы: если их нет, то распространение лучей
прекращается и трасса заносится в список непроведенных
соединений. На рис. 3.43 видно, что после пяти шагов 52-луч
дальше распространяться не может, так как оба его приоритет-
ных направления заблокированы занятыми элементами.

Блок 5. Присвоение путевых координат множеству свобод-
ных элементов Аг-фронта.

Блок 6. Определение признаков разноименных лучей у эле-
ментов, входящих в Ar-фронт. В приведенном примере на девя-
том шаге этим свойством будут обладать элементы с коор-
динатами (72; 77) и (13; 77), в которых произошла встреча
Л 2-луча и 51-луча. Следовательно, можно приступить к опреде-
лению координат трассы АВ. Исходным элементом при этом
может быть выбран первый йз подвергнутых анализу и удовлет-
воряющий условию Uab е {F*.}. Если это условие не выполня-
ется, то алгоритм моделирует следующий фронт распростра-
нения лучей.

Блок 7. Запись координаты трассы АВ.

Блок 8. Запись трассы АВ в список непроведенных соеди-
нений.

Для расширения возможности двухлучевого алгоритма
можно ввести некоторые дополнительные процедуры. Если
все лучи заблокированы, то выполняется следующая проце-
дура: возвращают фронт луча на один элемент назад и пыта-
ются провести трассу по второму приоритетному для данного
луча направлению. Если эта операция опять приводит к бло-
кированию луча, то фронт возвращают еще на один элемент
назад и повторяют попытки проведения трассы по второму
приоритетному направлению и т. д. При этом все рассмотрен-
ные элементы в дальнейшем считают для данного луча запре-
щенными. Если после одной из попыток выявляется возмож-
ность перехода на главное приоритетное направление рас-
пространения, то этот переход выполняется. Чтобы чрезмерно
Не увеличивать время трассировки, процедура может быть
повторена ограниченное число раз.

Для 52-луча сначала возвращают фронт в элемент с коорди-
натами (75; 6) и пытаются распространять луч вверх (рис. 3.43).
Через один шаг он снова блокируется. Тогда фронт возвращают
в элемент (74; 6) и луч распространяется через элементы (74; 7),
(14; 8), (14; 9), (13; 9) и т. д. до встречи с -лучом.

С помощью двухлучевого алгоритма можно также решить
задачу построения трассы с наименьшим числом пересечений.
Для этого в алгоритм вводят дополнительный блок, который
при невыполнении условия [7^) 0 разрешает А-лучам пересечь
препятствие. Если при дальнейшем распространении j-лучи
опять окажутся заблокированными, то дается разрешение на
пересечение преграды 5-лучам и т. д.

Маршрутные алгоритмы. Если волновой и лучевой алгорит-
мы на первом этапе определяют все возможные для данного
алгоритма пути прокладки трассы, а затем строят наиболее
приемлемое соединение, то маршрутные алгоритмы стремятся
проложить трассу сразу по кратчайшему пути. Если у кратчай-
шего пути встречается препятствие в виде занятых или
запретных элементов, то в действие вступает правило определе-
ния путей обхода. В состав маршрутных алгоритмов входят
блоки упорядочения проложенной трассы, с помощью которых
спрямляют полученные соединения.

1.	Рассмотрим некоторые маршрутные алгоритмы. Смысл
одного из маршрутных алгоритмов заключается в том, что на
каждом этапе вычислений происходит определение координат
очередного элемента трассы, который должен быть: соседним
по отношению к последнему по номеру элементу исходной
трассы; наименее удаленным от конечного элемента трассы.

Схема такого маршрутного алгоритма приведена на
рис. 3.44, а.

Блок 1. Занесение в память координат А(ха;уа) и В (хь; уь)
начального и конечного элементов трассы.

Блок 2. Выделение свободных для прокладки пути элемен-
тов из всех элементов первой окрестности последнего по
номеру элемента трассы. На первом цикле алгоритма последним
элементом трассы будет исходный элемент А.

БлокЗ. Вычисление по формуле r, Z> = 1х,--хд1 + 1у,-у61
кратчайших в выбранной геометрии расстояний от всех эле-
ментов, выделенных блоком 2, до конечного элемента трассы В.

Б л о к 4. Определение ближайшего к элементу В элемента
из первой окрестности последнего по номеру элемента трассы
и занесение его координат в список элементов искомого пути.

Блок 5. Проверка условия j = Ь, не достиг ли конечный
элемент трассы точки В. Признаком выполнения условия
д)

i— / —— — , —— 

Ввод данных

Вычисление
координат второго
элемента трассы

Рис. 3.44. Схема маршрутного алгоритма трасси-
ровки соединений

— 3--------------

Вычисление координат
очередного элемента
трассы по рекуррент-
ным формулам

j--b?

Да

— 5----J-------

Вывод результатов
решения задачи
размещения

являете? соотношение r,Z> = 0. В случае выполнения условия 5
прокладка трассы заканчивается; в противном случае опре-
деляется следующий элемент трассы (переход к блоку 2).

Блок 6. Останов.

Таким образом строится кратчайшее соединение между дву-
мя исходными элементами. Недостаток алгоритма в том, что
трасса, проложенная с его помощью, имеет ступенчатую форму,
а это вызывает необходимость сглаживания при нанесении
вычисленного пути на чертеж или фотооригинал печатной
платы.

2.	В инженерной практике используется также маршрутный
алгоритм, основанный на применении рекуррентного уравнения
вида	/3 9)

F(x) = 2F(x±/i)-F(x±2/i)+A,	’

где х, F(x) — соответственно абсцисса и ордината элемента,
занимаемого трассой на данном шаге; F(x± h) — ордината эле-
мента, занимаемого трассой на предыдущем шаге; F(x^2h)"
ордината элемента, отстоящего от вычисляемого на два шага;
д — функция, определяющая вид прокладываемой трассы; при
д = 0 строится прямолинейная трасса; при △ = const алгоритм
генерирует семейство парабол; Л —величина изменения абсцис-
сы элементов трассы на каждом шаге, Л=1, 2, 3.

Работа алгоритма производится циклически. В течение каж-
дого цикла вычисляются координаты очередного элемента
трассы и определяется, не достигла ли трасса конечного эле-
мента.

Ординату очередного элемента трассы вычисляют по (3.9),
а абсциссу —по формуле хк = xk_l+ h.

Как видно из (3,9), для определения ординаты очередного
элемента трассы необходимо знать ординаты двух предыдущих
элементов. Поэтому вычисление трассы производят начиная
с третьего элемента. Первым элементом трассы является
исходный элемент А, ордината второго элемента может быть
вычислена для линейной трассы по формуле F2(x) = F(xa) +

I F(xa)~F(xb) I

+ i—7—Z—Z—77' Схема этого алгоритма приведена на
| (-Хд -Х/>/ J

рис. 3.44, б. Достоинство данного алгоритма —простота формул
для вычисления координат элементов трассы.

3.	В отличие от волнового и лучевого алгоритмов маршрут-
ные алгоритмы не дают возможности обхода встретившегося на
пути трассы препятствия (занятые и запрещенные элементы).
Поэтому в составе маршрутных алгоритмов трассировки
необходимо иметь блоки, огибающие препятствия по пути,
наиболее приближенному к прямой линии, соединяющей конеч-
ные элементы трассы.

Для вычисления огибающей трассы в состав основного

маршрутного алгоритма
должны быть включены
операции вычисления бли-
жайших незанятых элемен-
тов около концевых элемен-
тов трасс и мест их изгиба.
Таким образом, в состав
информации о каждой про-
ложенной трассе кроме ко-
ординат ее элементов вхо-
4ят сведения о координа-
тах точек, через которые
*тожно проложить соеди-
нение, огибающее эту трас-
су.

Схема одного из воз-
м°Жных алгоритмов, вы-

Рис. 3.45. Схема алгоритма, выполняю-
щего проведение огибающей трассы
полняющих операции вычисления множества точек обхода
препятствий, определения их приоритета и выделения тех
элементов, через которые должна пройти трасса, приведена
на рис. 3.45.

Блок 1. Определение признаков точек огибания ранее
проложенной трассы. Это производится в случае встречи иско-
мой трассы с препятствием. По координатам встреченного заня-
того элемента выясняют номер трассы, к которой они принад-
лежит.

Блок 2. Определение обращением к памяти по адресу
(номеру) ранее проложенной трассы координат всех точек,
через которые можно провести огибающую трассу.

БлокЗ. Вычисление приоритетных чисел, в результате
определяется очередность огибания ранее проложенной трас-
сы. В первую "очередь следует попытаться провести наименее
удаленную от маршрута огибающую трассу. Если сделать этого
не удается и огибающая трасса снова наталкивается на пре-
пятствие, то надо продолжить соединение, более удаленное
от маршрута, чем первое, но менее удаленное, чем другие
возможные огибающие трассы, и т. д. В том случае, когда
алгоритм прокладывает линейные трассы, приоритетные числа
определяют по формуле △ = (%*. - хт), где хк — абсцисса эле-
мента, в котором прокладываемая трасса встретилась с пре-
пятствием; х,— абсцисса точки обхода ранее проложенной
трассы.

Чем меньше А, тем огибающая трасса располагается ближе
к маршруту.

Блок 4. Переадресация, которая заключается в изменении
сначала координат конечной трассы на координаты точки обхо-
да, а затем в замене начального элемента трассы точкой
обхода. Таким образом, алгоритм вместо отрезка прямой,
соединяющего начальный и конечный элементы искомого про-
водника, прокладывает путь по ломаной, состоящей из двух
прямых отрезков. Первый отрезок заключен между начальным
элементом трассы и точкой обхода, а второй —между точкой
обхода и конечным элементом трассы.

Если на пути обхода трасса снова встречает препятствие,
то процедура его огибания такая же, за исключением случая,
когда препятствие (занятый элемент) относится к проводнику,
который огибается. При этом делается попытка провести обход-
ную трассу через следующую по приоритету точку огибания.

Блок 5. Переход к основному маршрутному алгоритму.

Алгоритм Прима. На практике часто требуется соединить
несколько элементов. При этом необходимо построить связы-
вающую сеть, у которой суммарная длина всех проводников
была бы наименьшей. Данная задача решается алгоритмом
Прима, который нашел решение оптимальности трассировки,
когда данное множество элементов связывается сетью прямых
линий. В основу алгоритма положены следующие основные
положения:

1.	Всякий изолированный элемент соединяется с ближай-
шим к нему другим изолированным элементом.

2.	Всякий изолированный фрагмент сети (подмножество
элементов, связанных между собой) соединяется с ближайшим
к нему изолированным элементом. Расстояние от изолирован-
ного элемента до фрагмента определяется как расстояние от
данного элемента до ближайшего к нему элемента из под-
множества, входящего в состав фрагмента.

Пусть кратчайшее расстояние между элементами с номе-
рами i и j

rii=\Xi — Xjl + ltA — t/jl,	(Зл°)

n — число элементов, связываемых сетью; {/Д — подмножество
изолированных элементов; (ди,-) — подмножество элементов,
входящих в состав фрагмента сети.

Схема алгоритма Прима приведена на рис. 3.46.

Блок 1. Определение (3.10) кратчайших расстояний между
всеми элементами, которые должны быть соединены. Резуль-
таты вычислений сводятся в матрицу:

Г|2 Г|3 Г11 ... Г|Л

I.	<23 <24 ... <2п

Матрица содержит
(л — 1)п/2 чисел. Каждое
число записывается в
соответствующую ячей-
ку памяти. Кроме рас-
стояния между элемен-
тами i и j в ячейку
заносятся признаки этих
элементов.

Блок 2. Формиро-
вание подмножеств {т,}
и {/,}. При этом в со-
став {mt} может быть
включен любой элемент,
так как данный алгоритм
инвариантен. При каж-
дом последующем шаге
количество элементов,
входящих в подмноже-
ство {zn;}, увеличивается,

— /-------

Вычисление
матрицы
расстояний

г-1--------

Формирование
подмножеств

{4} и (lj)

Нет

Да

Выделение из матрицы
расстояний множества
чисел

Рис. 3.46. Схема алгоритма Прима
а входящих в подмножество {/,}— соответственно уменьшает-
ся на один.

Блок 3. Определение числа элементов, входящих в мно-
жество. Если в состав множества элементов сети входит только
один элемент, то работа алгоритма заканчивается на первом
шаге. Если число элементов больше одного, то работа алго-
ритма происходит циклично, притом на каждом цикле опре-
деляется одна из цепей сети. Так как число цепей л —1,
то вся задача решается за (п — 1)-й цикл.

Блок 4. Выделение из всего множества чисел матрицы
чисел, определяющих расстояния каждого элемента фрагмента
со всеми изолированными элементами. Если на первом шаге
в состав фрагмента включен первый элемент, то на первом
цикле этим блоком будет выделена первая строка матрицы.

Блок 5. Нахождение из множества чисел, выделенных бло-
ком 4, наименьшего числа, соответствующего длине новой цепи
фрагмента. Признаки этого числа определяют номера элемен-
тов, между которыми эта цепь должна быть проведена, и
номер нового элемента, который войдет в множество \mi).

Блок 6. Внесение цепи mklq в список кратчайших соеди-
нений сети.

Блок 7. Останов.

Системы автоматизированного проектирования трассировки
печатных плат. Решение задачи трассировки проводников по
слоям ПП может быть проведено на серийных ЭВМ, напри-
мер БЭСМ-6, ЕС ЭВМ, однако более эффективно эти задачи ре-
шаются на специализированных системах машинного проекти-
рования, прежде всего на системах 15УТ-4-017 (рис. 3.47) и
АРМ-Р.

Пакет прикладных программ для проектирования печатных
плат (ПП) дает возможность реализовать режим проектирова-
ния и режим обработки информации о топологии плат в
системе 15УТ-4-017.

В режиме проектирования программные средства обеспечи-
вают:

1)	полное описание информации для проектирования ПП с
помощью символьного дисплея по текстовой информации о
функциональных, логических или принципиальных электри-
ческих схемах;

2)	подготовку информации с эскизов схем при помощи
полуавтоматического кодировщика с параллельной визуализа-
цией изображений схем на экране графического дисплея;

3)	автоматическое формирование массива связей для автома-
тического размещения и трассировки межсоединений выводов
элементов ПП;

4)	автоматическое размещенйе элементов ПП и трассировку
проводников;
Рабочее место /

Рабочее место 2

Рис. 3.47. Схема системы автоматизированного проектирования 15УТ-4-017

5)	конструирование ПП в интерактивном режиме;

6)	контроль и редактирование текстовой и графической
информации печатных плат;

7)	формирование и использование библиотек элементов.

В режиме обработки информации программные средства
обеспечивают:

1)	описание совмещенных или послойных топологических
чертежей ПП с помощью полуавтоматического кодировщика
с параллельной визуализацией чертежей на экране ГД;

2)	контроль и редактирование введенной информации.

Кроме того, в обоих режимах имеется возможность разбие-
ния фигур на маски, размер и дискретность которых ориенти-
рованы на конкретные типы фотопостроителей, а также фото-
графопостроителей, сверлильных станков и автоматов ус ганов-
ки элементов на платы с минимизацией времени их работы.

Широкие возможности для проектирования электронной
вычислительной аппаратуры предоставляет разработчику си-
стема АРМ-Р.

В автономном режиме с ее помощью выполняются задачи
связанные с вводом — выводом графической информации и вы-
полнением расчетных задач незначительного объема, напри-
мер: размещение элементов произвольной конфигурации на
поле печатной платы; разводка и редактирование топологии
печатных плат; выполнение электрических принципиальных
схем и подготовка заданий на моделирование аналоговых
и цифровых схем; механизированное изготовление управ-
ляющих перфолент для получения фотооригиналов слоев
печатных плат, а также управляющих перфолент для автома-
тов с программным управлением; составление спецификаций,
выполнение аналитических и графических инженерных расче-
тов; выпуск документации для передачи в производство;
корректировка и редактирование графических инженерных
расчетов; выпуск документации для передачи в производство;
корректировка и редактирование графических, текстовых и
смешанных документов; выполнение сборочных чертежей пе-
чатных плат, сборок, шкафов; составление программ для часто
повторяющихся расчетов с помощью легкого языка програм-
мирования, ориентированного на инженера (ФОКАЛ, ФОКАЛ
графический, БЕЙСИК); подготовка информации (формали-
зованных заданий) для последующей передачи на центральный
вычислитель САПР с целью выполнения задач функциональ-
ного и технического проектирования; отображение на экранах
дисплеев или вывод на бумагу результатов, полученных на
центральном вычислителе САПР; ввод стандартных конструк-
тивных элементов в библиотеку АРМ.

В режиме взаимодействия с САПР АРМ-Р позволяет: решать
задачи моделирования электрических схем цифровой и анало-
говой аппаратуры; решать задачи синтеза схем цифровой
аппаратуры; выполнять сквозной процесс проектирования
ячеек аппаратуры с выходом на конструкторский этап проек-
тирования ячеек и субблоков; обращаться в архив спроекти-
рованных изделий, размещаемый в средствах ЕС ЭВМ; пере-
давать на хранение в банк данных информацию по спроек-
тированному изделию.

Некоторые правила конструирования печатных плат. При-
ступая к разработке печатной платы, конструктор должен
придерживаться правил и положений, рекомендуемых стандар-
тами, нормалями, руководящими техническими материалами:
выбора габаритных размеров плат, числа слоев, параметров
печатных проводников и элементов, техники выполнения ри-
сунка печатного монтажа. Некоторые из этих правил следующие.
1.	Максимальный размер стороны печатной платы, как одно-
слойной, так и многослойной, не должен превышать 500 мм.
Это ограничение определяется требованиями прочности и Плот-
ностью монтажа: чем больше плата, тем меньше плотность
монтажа. На практике обычно печатные платы • со стороной
до 100 толщин материала диэлектрика изготовляют без до-
полнительных деталей, повышающих жесткость. Для плат с
большими размерами предусматривают специальные меры
повышения жесткости (дополнительные точки крепления в
устройстве, введение ребер жесткости и т. д.).

2.	Соотношения размеров сторон печатной платы для упро-
щения компоновки блоков и унификации размеров печатных
плат рекомендуются 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2,' 5:2 и т. д.

3.	Целесообразно с целью максимального использования
физического объема конструкции ЭВМ и упрощения ее из-
готовления разрабатывать печатные платы прямоугольной формы
(другие формы печатных плат допускаются только при раз-
работке ЭВМ специальной формы).

4.	Выбор материала печатной платы и способа ее изго-
товления должен осуществляться на стадии эскизного проек-
тирования наряду с установлением класса печатного монтажа,
так как оказывает существенное влияние на конструкторско-
технологические, эксплуатационные и технико-экономические
характеристики разрабатываемой ЭВМ. В отечественной про-
мышленности установлены два класса печатного монтажа:
А —малой плотности; Б —большой плотности. Такое разделение
регламентирует ширину печатных проводников и минимальное
расстояние между ними. Для плат класса А эти величины
допускаются в пределах 0,5-0,8 мм, для плат класса Б —
в пределах 0,2-0,4 мм.

5.	При разбиении принципиальной электрической схемы по
слоям следует стремиться к минимизации числа слоев. Это
диктуется чисто экономическими соображениями. Одно- и дву-
сторонние печатные платы значительно дешевле многослойных,
однако обладают сравнительно меньшей плотностью монтажа,
низкой помехоустойчивостью и т. д. Поэтому в ряде случаев
целесообразней использование печатных плат с небольшим
числом слоев. Каждый слой должен нести определенную
функциональную нагрузку (например,, слой цепей питания,
слой сигнальных цепей и т. д.).

Стоимость многослойной печатной платы от увеличения
числа слоев находится не в прямой пропорциональной за-
висимости. Например, стоимость пяти- и десятислойных пе-
чатных плат, изготовленных методом металлизации сквозных
отверстий, отличается на 30—40%.

6.	Проектирование многослойных печатных плат для ЭВМ
может быть проведено двумя способами. Первый, обеспечиваю-
щий наибольшую плотность компоновки, заключается в раз-
работке топологии отдельно каждого слоя платы. При этом
возрастает номенклатура фотошаблонов, удорожается процесс
изготовления плат и ЭВМ в целом. При втором способе
отдельные слои всех типов плат, применяемых в ЭВМ, вы-
полняют идентичными (например, слой подводки питания
слой заземления, слой экранирования), а остальные—по от-
дельным шаблонам. Этот способ удешевляет процесс изго-
товления печатных плат, несколько снижая плотность меж-
соединений.

Целесообразно для бортовых и специализированных ЭВМ
применять многослойные печатные платы, изготовленные по
первому способу, а для'"больших стационарных— по второму.

7.	Для вычерчивания взаимного расположения печатных
проводников, печатных элементов, контактных площадок, мон-
тажных и контактных отверстий и т. д. надо использовать
координатную сетку в прямоугольной или полярной системе
координат. Шаг координатной сетки в прямоугольной системе
координат должен быть равен 2,5 мм (основной) и 0,5 мм
(дополнительный). Применение того и другого шага коорди-
натной сетки на чертеже одной платы недопустимо. Начало
координат рекомендуется устанавливать в левом нижнем углу
платы или в центре левого нижнего крепежного или техно-
логического отверстия. Координатную сетку наносят сплош-
ными тонкими линиями.

8.	По краям платы следует предусматривать технологиче-
скую зону шириной 1,5—2,0 мм. Размещение установочных
и других отверстий, а также печатных проводников в этой
зоне не допускается. Все отверстия должны располагаться в
узлах координатной сетки. В том случае, если шаг распо-
ложения выводов микросхем не соответствует шагу коорди-
натной сетки, одно из отверстий под вывод (желательно
первый) микросхемы должно обязательно располагаться в узле
координатной сетки.

9.	Для правильной ориентации микросхем при их установке
на печатную плату на последней должны быть предусмотрены
«ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы.

10.	Конденсаторы, резисторы и другие навесные элементы
следует располагать параллельно координатной сетке. Рассто-
яние между их корпусами должно быть не менее 1 мм, а
расстояния между ними по торцу —не менее 1,5 мм.

11.	Координаты монтажных отверстий можно задавать:
а) нумерацией отверстий с занесением размеров их координат
по осям х и у в миллиметрах в таблицу; б) указанием раз-
меров координат за пределами рисунка печатной платы;
в) нумерацией линий координатной сетки.

12.	Диаметры монтажных отверстий необходимо принимать
равными 0,5; 0,8; 1,0; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,4 мм. Обычно диаметр
отверстия берут больше диаметра вывода на 0,5 мм, так как
при этом обеспечивается наиболее полное заполнение его
припоем при пайке. Отверстия под выводы микросхем и на-
весных деталей зенкуют с обеих сторон платы. Установочные,
проходные и технологические отверстия не зенкуют. Отверстия
под выводы микросхем и навесных деталей и отверстия,
соединенные печатными проводниками, должны иметь кон-
тактные площадки, диаметры которых могут не менее чем
на 1 мм превышать диаметр зенковки. Установочные, проход-
ные и технологические отверстия контактных площадок не
имеют.

13.	На печатных платах должен быть предусмотрен ориен-
тирующий паз (или срезанный левый угол) или технологи-
ческие базовые отверстия, необходимые для правильной ориен-
тации при изготовлении двусторонней печатной платы.

14.	Печатные проводники не должны иметь резких пере-
гибов и острых углов. Переходы при разветвленном провод-
нике или переходы проводника к контактной площадке не-
обходимо изготовлять плавными с радиусом закругления не
менее 2 мм.

15.	Печатные проводники, ширина которых на чертеже не
превышает 1 мм, надо изображать сплошной утолщенной
линией. Контактные площадки, примыкающие к таким про-
водникам, не штриховать.

16.	Печатные проводники по возможности следует выполнять
минимально короткими. При изготовлении особо длинных
печатных проводников (/п > 200 мм) целесообразно предусматри-
вать дополнительные монтажные площадки и отверстия.

17.	Ширину печатных проводников и расстояние между
ними следует устанавливать после проведения соответствующих
расчетов.

18.	Прокладка рядом входных и выходных печатных про-
водников схемы одного печатного проводника параллельно
другому, аналогичному, проводнику на той или на иной
стороне платы не рекомендуется во избежание возникновения
паразитных наводок.

19.	Проводники входных высокочастотных цепей должны
прокладываться в первую очередь и • быть максимально ко-
роткими.

20.	Печатный проводник, проходящий между двумя близ-
лежащими монтажными площадками или любыми отверстиями,
следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярна
линии, соединяющей центры отверстий.

21.	Проводники шириной до 2 мм можно располагать с
обеих сторон печатной платы, проводники шириной от 2 до
5 мм —со стороны установки микросхем.
Рис. 3.48. Фрагмент чертежа наружного слоя печатной
платы

22.	Заземляющие проводники, по которым протекают сум-
марные токи всех цепей, следует изготовлять максимально
широкими.

23.	Для уменьшения паразитной емкостной связи между
печатными проводниками иногда надо экранировать печатную
схему, причем экран должен иметь максимально возможную
ширину и быть не сплошным, а сетчатым [ячейки сетки
должны располагаться с шагом 2—5 мм и быть круглыми
диаметром 3-М мм или продолговатыми с закругленными
краями размерами (0,5 — 1,5) Х(3 — 5) мм]. При попадании в зону
экрана отверстий, предназначенных под выводы навесных
деталей или микросхем, около каждого из них на расстоянии
। мм от его кромки в экране предусматриваются 2—4 сек-
торных выреза шириной 1—1,5 мм, располагаемых по окруж-
ности, или кольцевой вырез той же ширины.

24.	При трассировке проводников необходимо избегать боль-
ших площадей, покрытых медью. Во время операции пайки
волной припоя в этих местах будет скапливаться припой.
Если необходимо иметь большие поверхности медй, то надо
предусмотреть ромбовидный или перекрестно-штриховой ри-
сунок на медной поверхности.

25:	Число отверстий различных диаметров следует сводить
к минимуму. Чем меньше это число, тем меньше труда
потребуется в изготовлении печатной платы.

26.	С краев печатной платы следует снимать фаски. Между
печатным соединительным контактом разъема и краем фаски
должно быть расстояние не менее 0,8 мм.

27.	Чертеж печатной платы надо выполнять в масштабе 1: 1;
2:1; 4:1; 5:1; 10:1 при шаге координатной сетки 2,5 мм
и не менее 4: 1 при шаге 0,5 мм. Диаметры отверстий,
зенковки и контактных площадок под штыревые выводы,
корпусов микросхем в зависимости от толщины печатной
платы при этом выбирают такими:

Толщина печатной платы, мм ....	1,0

Диаметр металлизируемого отверстия,
мм..................................0,8+(”

Диаметр контактной площадки, мм . . 1,8-ot

1,5.	2,0

0,8+°'	1Д+012

1,8-ot	2,3-ot

После проверки главного вида приступают к изготовлению
изображения каждого вида, над которыми помещают указание
номера слоя, например «слой 1». На рис. 3.48 приведен фраг-
мент чертежа наружного слоя печатной платы с разметкой
под микросхемы в корпусах с планарными выводами. Шаг
координатной сетки 0,5 мм.

На плате используется печатный разъем (в правом нижнем
углу), окружностями небольшого диаметра условно обозначены
металлизированные отверстия с зенковкой и контактными
площадками.

§ 3.4

ЭЛЕКТРОМОНТАЖ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

В ЭВМ И СИСТЕМАХ

Электромонтаж и электрические соединения занимают боль-
шое место в конструкции ЭВМ. Монтаж микросхем на пе-
чатные платы элементов первого уровня конструктивной
иерархии, объединение элементов уровня 1 на платах уровня 2,
элементов уровня 2 на платах уровня Зит. д. — всюду тре-
буется использовать различные методы выполнения соединений
и монтажа, которые призваны обеспечивать электрическую
и механическую неразрывность схемы и конструкции ЭВМ
Так как число электрических соединений в современных ма-
шинах достигает десятков и сотен тысяч, то правильному
выбору метода соединения и его надежности следует уделять
большое внимание при разработке микроэлектронных вычис-
лительных машин.

Электромонтаж в конструкции ЭВМ должен: а) обеспечи-
вать нормальную ее работу в заданных условиях механиче-
ских и климатических воздействий; б) соответствовать техни-
ческим условиям, принципиальным и электромонтажным схе-
мам, таблицам соединения; в) обеспечивать высокую надеж-
ность электрического соединения; г) допускать удобную и
быструю замену вышедших из строя элементов; д) обеспечи-
вать удобную и безопасную работу обслуживающего персонала
при эксплуатации машины и ее ремонте; е) допускать воз-
можность подключения контрольно-измерительной аппаратуры
к любой точке схемы; ж) быть технологичным и выполнен-
ным с максимальным использованием автоматизации; 3) иметь
минимально короткие длины связей и малый уровень наво-
димых помех.

Электрическое соединение (паяное, сварное, изготовленное
методом накрутки и т. д.) в микроэлектронных схемах должно:
а) иметь прочность не ниже прочности соединяемых элемен-
тов; б) иметь минимальное омическое сопротивление; в) не
изменяться со временем; г) при выполнении не вносить из-
менения в соединяемые элементы; д) не иметь материалов,
вызывающих коррозию); е) контролироваться простыми и на-
дежными средствами.

Все виды электрических соединений можно разделить на
постоянные соединения, демонтаж которых неизбежно приводит
к разрушению одного или обоих присоединяемых выводов,
например сварка; полупостоянные соединения, например паяные,
демонтаж которых требует применения специального инстру-
мента или технологии и не приводит к разрушению выводов;
временные, или быстроразъемные, соединения, например штеп-
сельные контакты, в которых удержание штырьков обеспечи-
вается силами трения и которые допускают большое число
сочленений.

Монтаж корпусов микросхем на печатных платах. Существует
много методов присоединения выводов микросхем к контакт-
ным площадкам или металлизированным отверстиям печатных
плат: пайка паяльником с постоянным или импульсным нагре-
вом, пайка селективным погружением и волной припоя, пайка
ультразвуком, электронным, световым или лазерным лучом,
а также теплом струи горячих газов; сварка электродами и
включением свариваемых деталей в последовательную цепь
источника тока; ультразвуковая технология и термокомпрессия;
взаимная диффузия присоединяемых
металлических деталей; использование
проводящих клеев (контактолов).

Присоединение пайкой. Вы-
бор метода присоединения пайкой оп-
ределяется конструкцией корпуса мик-
росхемы и формой его выводов. Кор-
пуса со штырьковыми выводами запаи-
вают в металлизированные отверстия

Рис. 3.49. Схема пайки вол-
ной припоя

печатных плат в специальных установках многопозиционной
пайки: волной припоя, общим и селективным погружением.

При пайке волной припоя (рис. 3.49) печатную плату с одно-

сторонним расположением микросхем перемещают горизонталь-
но, соприкасая с верхней кромкой волны припоя, подаваемой
с помощью насоса из нижних слоев ванны через продольную

щель.

При пайке с общим погружением (рис. 3.50, о) плату с микро-
схемами опускают до соприкосновения с поверхностью рас-
плавленного припоя и выдерживают в течение определенного
времени. Для исключения образования перемычек между токо-
ведущими дорожками платы используют специальный трафа-
рет, -т. е. селектор (пайка с селективным погружением), ко-
торый устанавливают на плату со стороны пайки (рис. 3.50, б).
Сечение паяного соединения, выполненного одним из этих
методов на одно- и двусторонней печатной плате, представлено
соответственно на рис. 3.51, а, б.

Планарные выводы корпусов микросхем, располагающихся
с одной или с обеих сторон печатных плат, вне зависимости
от метода присоединения подпаивают только по одному за
операцию. Пайку осуществляют паяльником с постоянным или
импульсным нагревом, с расплавлением дозированного припоя
в месте соединения,- с помощью струи горячего воздуха или
газа, за счет теплоты, выделяемой при прохождении электри-
ческого тока через паяемые детали. Так как выводы распо-
лагают с постоянным шагом, а распределение микросхем по
плоскости платы регулярное, то все эти методы могут быть
автоматизированы.

Рис. 3.50. Схемы пайки с общим (а) и селективным (б)
погружением	,
Рис. 3.51. Виды монтажа выводов корпусов микросхем:

1 — корпус микросхемы; 2 —вывод корпуса; 3 — печатная плата; -/ — печатный провод,
ник; 5 — припой; б —место приварки; / — металлический штырь; 8, 9, 10 — соответст-
венно соединения торцовое, точечное, заклепочное при сварке лучом лазера

Пайку паяльником с постоянным нагревом производят как с
предварительной дозировкой припоя, так и с захватом припоя
жалом паяльника.

Пайку паяльником с импульсным подогревом осуществляют
только с предварительной дозировкой припоя. Когда жало
паяльника поджимает вывод с таблеткой припоя к контактной
площадке, через него пропускается импульс тока, который
разогревает паяльник и место пайки до необходимой темпе-
ратуры.

При пайке струей горячего газа вывод микросхемы вместе
с дозой припоя поджимают к контактной площадке, на место
пайки направляют струю нагретого воздуха или газа, а корпус
микросхемы обдувают струей холодного воздуха для исклю-
чения перегрева.

Выводы микрокорпуса обрезают на длину 0,5—0,7 мм, под-
гибают- (рис. 3.51, г) и после установки корпуса на нагретую
керамическую плату спаивают дозой припоя путем обдува
струей горячего воздуха.

На рис. 3.51, в, г, д схематически представлены паяные соеди-
нения планарных выводов микросхем с контактными площад-
ками печатных плат.

При пайке используют различные припои и флюсы. Кри-
терий их выбора —максимально допустимая температура пайки.
В табл. 3.22 представлены составы, температуры плавления
и пайки отечественных марок припоев, применяемых при
пайке микросхем, а в табл. 3.23—марки флюсов.

Монтаж методами с в а?р к и. При монтаже корпусов
микросхем с планарными выводами может быть применена
Таблица 3.12

Марка припоя	Химический состав								Температура, °C	
	Sn	Pb	Cd	Bi	In	Ag	An	Sb	плавления	пайки
ПОС-61	59-61	Остальное			0,1	—	—	—	0,8	183	200-240
ПОС-61+3% Ag	57-59	»	—	—	—	3	—	0,1	190	240-280
ПОС-61+3%Ап	57-59	»	—	—	—	—	3	0,1	190	240-280
ПОСК-50	50	32	18	—	—	—	—	—	145	180
ПОСИС-1	30	19	—	—	50	1,0	—	—	130	.170
ПОСК-47	47	36	17	—	—	—	—	—	142	180
ПОС-40	39-40	Остальное	—	0,1	—	—	—	1,5-2,0	183-235	250
ПСр-2,5	5,5 ±0,5	92 ±1,0	—	—	—	2,5 ±0,3	—	—	295-305	320-350
ПСр-2.	30 ±0,1	63 ± 1,5	5 ±0,5	—	—	2 ±0,3	—	—	225-235	250-260
ПОСВ-33	33,4	33,3	—	33,3	—	—	—	—	130	170

Таблица 3.23

Марка флюса	Состав									Оптималь- . ная тем- пература пайки, °C	Требования к промывке
	кани- фоль	спирт этиловый	смола поли- эфирная ПН-5	метил- этилкетон или этил- ацетат	диэтила- мин со- лянокис- лый	триэтано- ламин	салици- ловая кислота	хлорис- тый цинк	хлорис- тый ам- моний		
кэ	10—40	90-60	—	—	—	—	—	—	—	220-240	Не требуется
ФПП	—	—	20	80	—	—	—	—	—	220-240	То же
ЛТИ-120	24	70	—	—	3-5	1-2	—	—	—	230-330	Спиртобен- зиновая (1 : 1) смесь
КС	30	Остальное	—	—	—	1,4	2,8	—	—	150-300	То же
ЛК-2	28	»	—	—	—	—	—	3	1	270-300	Спирт и вода
сварка двусторонняя контактная точечная, односторонняя то-
чечная сдвоенным электродом, ультразвуковая, импульсная
дуговая, лазерным лучом, металлизацией, например путем
напыления при электрическом взрыве проволоки или фольги
Основное требование при монтаже сваркой —правильный выбор
размеров контактной площадки. Сварное соединение будет
надежным и прочным, если ширина контактной площадки
составляет не менее 3—5 диаметров или ширины приварива-
емого вывода, а длина ее —5—8 диаметров.

Двусторонняя контактная точечная сварка нашла применение
при использовании специальных штырей конусной формы
изготовляемых из углеродистой стали и покрываемых медью
и индием. Такие штыри монтируют в металлизированные
отверстия печатных плат (рис. 3.51, е) и приваривают к ним
выводы микросхем. При запрессовке штырей в отверстия
индий диффундирует в металлическое покрытие отверстия,
благодаря чему образуется надежное электрическое и механи-
ческое соединение. Достоинство данного метода — возможность
многократной замены микросхем.

При приварке планарных выводов к печатным контактам
лазерным или электронным лучом применяют соединения тор-
цовое, точечное или заклепочное (рис. 3.51, ж). При торцовом
соединении часть луча попадает на вывод, а другая часть —
на контактную площадку платы. В соединении точечного типа
луч полностью направляют на вывод. При заклепочном со-
единении луч направляют на вывод, в котором имеется про-
сверленное отверстие диаметром, меньшим диаметра луча.

Методы объемного монтажа в ЭВМ. Для электрического
объединения микросхем в пределах плат первого уровня кон-
структивной иерархии (ячеек, модулей) наибольшее распрост-
ранение нашел печатный монтаж (см. § 3.3). Однако в ряде
случаев, например при разработке плат с большим числом
микросхем (до нескольких сотен), использование дорогостоя-
щих и перемонтируемых многослойных печатных плат стано-
вится экономически невыгодным. Кроме того, объединение,
например, ячеек в пределах блока (панели) (см. рис. 3.1, 3.3)
и модулей в пределах субблока с помощью печатного монтажа
также нецелесообразно, так как в этом случае появляется
необходимость в создании дорогостоящих (часто уникальных)
печатных плат. Все это привело к разработке и применению
методов объемного монтажа, легко поддающихся автоматиза-
ции с помощью ЭВМ и обладающих возможностью внесения
коррекции в готовый монтаж.

К методам объемного монтажа относят монтаж: 1) мягкий
однопроводный и жгутовой; 2) жесткий (струнный); 3) на-
круткой; 4) с помощью пружинных захватов; 5) запрессовкой
проводников; 6) приваркой проводников.
Последние четыре метода монтажа разработаны в последние
годы специально для микроэлектронных устройств. С их по-
дошью можно получать надежные соединения с высокой
плотностью расположения контактов.

Мягкий монтаж одиночными проводниками используют чаще
всего для соединений внутри блоков и панелей. При этом
один конец соединительного проводника монтируют на одном
контакте, а другой— напрямую с небольшим натягом на другой
контакт. Возникающие при данном методе соединения пере-
крестия проводников могут явиться источником паразитных
наводок. Для их устранения входные цепи чувствительных
элементов и выходные цепи мощных элементов экранируют
пли выполняют в виде бифиляров или свитой пары провод-
ников, у которой один проводник заземляется по обоим кон-
цам, а другой — осуществляет электрическую связь.

Широкое применение при монтаже вычислительных устройств
находят жгуты —параллельно идущие провода, связанные и
уложенные в определенном порядке. Раскладку жгутов про-
изводят на специальном шаблоне, плоском или объемном.

Жесткий (струнный) монтаж в ЭВМ используют редко и
лишь для внугристоечных соединений.

Мягкий и жесткий монтаж может осуществляться провод-
никами, некоторые марки которых и их основные характерис-
тики приведены в табл. 3.24.

Монтаж накруткой. Этот метод монтажа представляет
собой механическое постоянное соединение металлического
штыревого вывода с острыми гранями с накрученным одно-
жильным оголенным проводом. Накрутку оголенного провода
производят с определенным натягом, вследствие чего в мес-
тах соприкосновения провода и штыря возникают упругие
напряжения. Соединение двух металлов с большим постоян-
ным натягом обеспечивает хороший электрический контакт
и стабильность его во времени.

Существует два вида монтажа накруткой. В первом электри-
ческая связь осуществляется между штырем вывода и накру-
чиваемым проводом (рис. 3.52). Во втором (бандажирование)
электрическая связь осуществляется между двумя штырями
(штырем и выводом радиоэлемента, штырем и одножильным
проводом), которые прикручиваются друг к другу проводом
(рис. 3.53).

Количество витков накручиваемого провода обычно не
превышает шести. Концентрация напряжения в точках кон-
тактирования оценивается средним давлением около 17 • 103 Па.

повышения надежности к виткам из неизолированного
Провода добавляют один-два витка провода с изоляцией, что
Практически в два раза повышает общую надежность со-
чинения.
Таблица 3.?|

Марка проводника	Сечение  ЖИЛЫ, ММ3	Наружный диаметр, мм	Интервал рабочих температур, °C	——  Область применения
мгшв	0,14	1,4	-50 — +70		  Для фиксированного мон-
мгшвэ	0,2 0,35 0,35	1,6  1,9  2,5		тажа  То же
МГТФ	0,07	0,75	-60 - +220	Для монтажа слаботочных
МГТФЭ ф	0,10  0,14  0,14  0,07; 0,1;	0,85 0,80 1,6	-60 - +250	схем, работающих при повы- шенной температуре  Для фиксированного монта-
ФЭ	0,14; 0,2;	—		жа аппаратуры, работающей
ГФ	0,35;. 0,5;	—		при повышенной темпера-
ГФЭ	0,75; 1,0;	—		туре
мог	1,5 0,3; 0,5	—	-60- +60	Для передачи напряжения
БПВЛ	0,35; 0,5;	—	-60- +70	неподвижных частей аппара- туры к подвижным  Для монтажа бортовой сети
РКГМ	0,75; 1,0;  1,5; 2,5 0,35;	1 1 1	-60 — +180	низкого напряжения  Для монтажа влагостойкой
ПРКС	0,5; 1,0;	1	—		аппаратуры, работающей при
	1,5; 2,5	—	1	повышенной температуре

Как показали испытания и эксплуатация устройств, где
использовался монтаж накруткой, надежность их на один-два
порядка превышала надежность соединения пайкой. Кроме
того, осуществление монтажа накруткой может быть легко
автоматизировано, его выполняют при нормальных темпера-
турах, не вызывая локальных перегревов; при необходимости

Рис. 3.52. Схема монтажа накрут
кой (а) и варианты сечения mjbI"
рей (б) для монтажа накруткой:

./ — сжатие; 2 — выемка; 3 — провод; 4"
штыревой вывод; 5 — сосредоточенны
контактные усилия; 6 — угол скручивани
Рис. 3.54. Схема монтажа пру-
жинными захватами:

1 — штырь; 2 — пружинный захват;
3 — многожильный провод

Рис. 3.53. Схема монтажа банда-
жированием

монтаж накруткой может быть легко демонтирован. Недоста-
ток монтажа накруткой — сравнительно невысокая плотность
размещения соединений.

Монтаж пружинными захватами. Этот монтаж, как
и монтаж накруткой, является одним из методов механиче-
ского контактирования. Здесь пружинные захваты прижимают
жесткий или многожильный провод к имеющему специальное
покрытие контактному штырю с такой силой, что образуется
вакуум — плотное соединение. При этом с провода удаляется
изоляция. На рис. 3.54 схематически представлен этот вид
монтажа для случая, когда на один контактный штырь мон-
тируются с помощью захватов по три проводника. Каждый
из захватов с помощью несложного приспособления может
быть легко снят или расслаблен, передвинут вдоль штыря
и снова зажат. Фирма «Ашрех 1по>, впервые применившая этот
вид монтажа, разработала автоматические станки с программным
управлением, осуществляющие монтажные соединения с шагом
1,9—2,5 мм.

Монтаж запрессовкой проводников. Этот вид
монтажа осуществляют изолированным проводом на поверх-
ности платы, покрытой незатвердевшей клейкой термореак-
тивной пластмассой. Автоматический станок с программным
Управлением производит раскладку и фиксацию проводников
в соответствии с таблицей соединений, после чего плату
Подвергают действию теплоты и давления. В результате про-
водники оказываются запрессованными в тело платы. Соеди-
нения между проводниками производят сверлением отверстий
в нужных местах с последующей их металлизацией. На
Рис. 3.55, а схематически представлен фрагмент платы, полу-
ченный этим методом.

К достоинствам метода монтажа запрессовкой проводников
кРоме возможности их автоматизированной разводки следует
отнести высокую плотность
выполнения соединений (щаг
между центрами металлизи-
рованных отверстий в платах
американской фирмы «Photo-
circuits» — 1,3 мм) и возмож-
ность использования изоли-
рованных проводников, что
позволяет производить раз-
водку без ограничения на
число перекрестий.

Монтаж приваркой
проводников к запрес-

сованным в плату штырям. Этот метод (см. рис. 3.51,е
легко поддается автоматизации. Здесь провод диаметром 0,1 мм
в полиэтиленовой изоляции приваривают к металлическим
штырям, к которым ранее с обратной стороны были прива-
рены (или припаяны) выводы микросхем. В станке с про-
граммным управлением фирмы «Sylvania» автоматическая мон-
тажная головка подает провод, прижимает его к штырьку,
разрушая при этом его изоляцию, дает импульс тока, про-
изводит испытание приваренного соединения на разрыв и затем
при необходимости обрезает провод. После того как контакт-
ной сваркой выполнено соединение, нагретый полиэтилен
слегка растекается и обволакивает место сварки. На рис. 3.55,6
схематически представлен фрагмент платы, в которой соеди-
нения выполнены методом приварки проводников к штырям.
Шаг размещения штырей при соединениях этим методом
может быть доведен до 1,5 мм.

Разъемные соединения в ЭВМ. Разъемные соединения нашли
широкое применение в конструкциях ЭВМ. Особенно велика
их роль в больших машинах, где от степени использования
разъемов зависят такие характеристики, как технологичность
при сборке и настройке и ремонтоспособность при эксплуа-
тации. Наиважнейший узел разъемного соединения —контактная
пара, состоящая из двух частей: штыря и гнезда. В рабочем
положении для создания электрического контакта одна из
этих частей (штырь) должна входить в другую (гнездо). Основ-
ное требование, предъявляемое к контактной паре, —обеспе-
чение высокой надежности соединения при воздействии до-
пустимых механических и климатических факторов. Этот па-
раметр зависит от: а) типа (способа) контактирования; б) ма-
териалов контактной пары и их покрытий; в) точности из-
готовления и чистоты обработки; г) величины контактного
усилия.

Кроме параметра надежности контактная пара характери-
зуется переходным сопротивлением (0,01—0,02 Ом), максималь-
Рис. 3.56. Конструкции контактных пар

ным рабочим током, нестабильностью переходного сопротив-
ления (20—30%), максимальной частотой тока, усилием соеди-
нения и разъединения контактов, износоустойчивостью (предель-
ным числом сочленений) и допустимыми условиями эксплуа-
тации.

По типу соединения контактные пары делят на пары
с точечным (рис. 3.56, а), многоточечным (рис. 3.56,6) и ли-
нейным контактированием (рис. 3.56, в). Самый надежный тип
соединения—гиперболоидное соединение (рис. 3.56,6). Особен-
ность его —наличие контактной гиперболоидной многоточечной
поверхности в паре штырь— гнездо, образующейся между
гладким цилиндрическим штырем и несколькими упругими
бронзовыми проволочками, расположенными под углом 8° к
образующей по внутренней поверхности цилиндрического гнез-
да. Как показали исследования, вероятность безотказной работы
гиперболоидного контакта достигает 1 • 10-6 1/ч, в то время
как этот параметр у других типов контактных пар не ниже
1 • 10-5 1/ч. По некоторым остальным параметрам гиперболоид-
| ная контактная пара зачастую превосходит другие типы разъ-
1 емных соединений: расчетное рабочее напряжение 1 мВ —250 .В,
ток 1 мкА —3 А, число сочленений не менее 1000, усилие
сочленения 0,5—1,5 Н.

Совокупность некоторого числа контактных пар, выполнен-
ная в виде законченного изделия, образует конструктивную
единицу, называемую разъемом. Разъем состоит из двух частей:
вилки и розетки. В состав вилки входят штыри контактных
ПаР, а в состав розетки— гнезда контактных пар. Кроме них
конструкция разъема включает в себя ловители, ключ и эле-
менты крепления разъема. Ловители обеспечивают совмеще-
ние штырей и гнезд контактных пар при сочленении разъема,
ключ предназначен для исключения возможности неправиль-
I Него сочленения вилки с розеткой (в качестве ключа могут
быть использованы специальные элементы конструкции разъема
ловители разного диаметра, особое расположение контактных
пар и т. д.). В некоторых случаях в состав разъема входцт
замок для фиксации сочленения.

В конструкции ЭВМ применяют соединители для Ис
разъемы для межъячеечных, межблочных и межкассетных
соединений, кабельные и жгутовые разъемы.

Наборные соединители для ИС применяются в изделиях
с повышенной плотностью компоновки в цепях со сравни-
тельно малым количеством циклов сочленения. Наборные со-
единители выполняются с одно- и двухрядным расположением
контактных пар, включающих в себя гнездо и штекер (рис. 3.57).

Рис. 3.57. Конструкция наборно-
го соединителя для ИС

Рис. 3.58. Конструкция соедини-
теля с фиксированным числом
контактов без формовки выво-
дов ИС:

/ — соединитель; 2 —корпус ИС; 3 —
печатная плата

Наибольшее количество пар в ряду —25, шаг —2,5 мм. Набор-
ные соединители рассчитаны на ток до 0,15 А и напряжение
до 25 В, контактное сопротивление пары не более 0,02 Ом.
Покрытие контактов золотое.

Существует три способа монтажа соединителей ИС на
печатной плате: накрутка провода МШВ-0,08, пайка провода
сечением не более 0,12 мм2, запайка выводов в печатную
плату.

Соединители применяются в качестве основы для установки
корпусов ИС или других корпусов (например, с резисторами)
или колодок (для пайки тех же резисторов по отдельности)
на печатной плате с целью облегчения замены ИС, а также
для получения более плотной компоновки в сочетании с мон-
тажом накруткой или другими видами современного провоД'
ного монтажа.
А

-1

Рис. 3.59. Конструкция соединителя с
фиксированным числом контактов с фор-
мовкой выводов ИС:

1 — соединитель; 2 — съемная колодка; 3 — кор-
пус ИС

На рис. 3.58 и 3.59 пред-
ставлены два других типа
разъемов для ИС. В разъ-
еме, приведенном на рис.
3 58, ИС монтируется без
предварительной формовки
выводов. Перед монтажом
в разъем ОНП-ИИ6-14(16)
/рис. 3.59) корпус размеща-
ется в съемную колодку
выводами вверх.

По типу соедине-
ния с печатной пла-
той разъемы могут быть:
1) с непосредственным со-
единением проводников пе-
чатной платы с розеткой —
непосредственное контак-
тирование; 2) с соединени-
ем между контактами, от-
дельно смонтированными,
на печатной плате, и со-

членяющейся частью разъема; 3) с соединением между двумя
сочленяющимися частями разъема, одна из которых монти-
руется на печатной плате,— косвенное контактирование.

Контакты печатной платы первого вида разъемов, как
правило, размещаются с двух сторон. Разъемы других видов
устанавливаются на плате со стороны размещения элементов.

В табл. 3.25 приведены основные конструктивные пара-
метры разъемов косвенного контактирования, в табл. 3.26 —
непосредственного контактирования, в табл. 3.27—рекомендуе-
мых международной электротехнической комиссией (МЭК).

Толщина печатной платы выбирается 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм.

Наибольшее суммарное число контактов разъемов непо-
средственного контактирования составляет 296. На плате наряду
с последними могут размещаться 1—2 разъема косвенного
контактирования.

Рассмотренные выше разъемы рассчитаны на определенный
Размер — высоту вилки (как видно из табл.' 3.26, весьма различ-
аю), толщину платы и однозначное постоянное положение
ключа, одинаковое для всех разъемов данного типа.

В табл. 3.28 приведены некоторые типы гиперболоидных
Разъемов и их основные конструктивные параметры. Вилки
Разъемов ГРПМ1, предназначенные для установки на печатные
платы, выпускают как с прямыми выводами штырей (ин-
аекс «П»), так и угловыми (индекс «У»), Вилки разъемов
BIIM9, устанавливаемые также на печатные платы, выпускают
Тип разъема косвенного контактирования  л	Выводы			Плотность  1_ компо-	Корпус			
	количе- ство, шт.	шаг, мм	число рядов, шт.|	новки, см2/ ВЫВОД	габаритные размеры, мм			площадь, см2 на  монтаж-  _ ной па-
					L	Н	в	нели
ГРПМ1-61ШУ*	61  •	3,5	2	0,19	9,2	129,3	10,5	11,9
ГРПМ1-61**								
СНП58-64/94Х9В-23	64  . (16; 32;  48)	-2,5	2	0,13	8,6	_95  —	13,5  5,6  5,6	8,7
СНП58-64/95Х9Р-20								
СНП58-64/94Х9В-23								
СНО63-64/95Х9Р-24								
СНП59-96/94ХПВ-23	96  - (16; 32;  48; 64)  1.		3  L	о,н- 	_	И,1		13,5  5,6  5,6	10,5
СНП59-96/95Х11Р-20								
СНП59-96/94Х11В-23								
СНО66-96/95Х11Р-24								
Таблица 3.25

Вид монтажа на месте установки	Макси- мальное усилие сочлене- ния, Н	Конструкция разъема					
Пайка в плату* Пайка проводов**	—	/7/7			Т^мп		
		i			-J		
		вилка  Розетка		в			
Пайка в плату	76	ПП				-т- МП	
						t1 -J	I
		р '  Вилка Розетка					
					в~~		
Пайка в плату;  Накрутка							
	115	ПП				г МП	
					gsi =SI		
		и - вилка Розетка		_ / В 1			
СНП34-90/132X7,4Р -22	90 (43; 69)	-2,5	3	0,18	J2,5	132.
СНП34-90/132Х10,5В21						
СНП34-135/132Х9,4Р-22	135  (43; 69;  90; 113)			0,12  (0,38;  0,24;  0,18; 0,14)		
СНП34-135/132Х12,5В21						
ОНП-ВМ-4-96/77Х8-В35	96	1,25	2	0,06	7,5	77.
ОНП-ВМ-4-96/77Х8-Р22						

* Печатная плата (ПП).

** Монтажная плата (МП).

Тип разъема непосредственного , контактирования	Выводы				Корпус		
	количество, шт.	шаг, мм	число рядов, шт.	ПЛОТНОСТЬ компоновки см2/! вывод	габаритные размеры, мм		
					L	Я	‘ В
	Плата*	  РПП 72 Г1ТЗ**	72	3,75	2	0,24	11	157	15
	Плата	 РПП 72 Г2ТЗ	72	3,75		0,24		157	
	Плата	  РПП 72 Г5ТЗ	72  108	2,50		0,18  0,16 '		117  157	
	Плата	  РПП 72 Г5ТЗ	72  108	2,5		0,18  0,16		117  157	
	Плата ОНП-НГ-14	72	3,75	2	0,19	9	157	14,5
	Плата	  СНП15	96	2,5	2	0,14.	10	140	
	Плата	 РППМ16-288	На одну  плату 72,  всего — 288	3,0	На одну  плату 2, всего — 8	0,22	На одну  плату 12,5  всего — 50	130	
	Плата	 РПММЗ	152	1,25	2	0,07	10	115	10
							
Твблаи 336

плошадь на монтажной панели, см2	Высота вилки платы	Вид монтажа на месте установки	Максималь- ное усилие сочленения, Н	Конструкция разъема					
17,2	141	Печатные проводники* Пайка:** проводов; в плату	90	ПП			!	'МП	
_—•—  17,2	141	Печатные проводники							
									
		Накрутка  Пайка в плату						L	
12,8  17,2	96  141	Печатные проводники  Пайка: проводов; в плату	61  91			_ В :			
12,8  17,2	96  141	Печатные проводники  Накрутка Пайка в плату	61  91						
14,0	141	Печатные проводники	90	В_					
									
		Пайка: проводов; в плату				-U-	-1L-	-3	
14,0		Печатные проводники  Накрутка		Г 8^] -з					
16,5	126	Печатные проводники  Накрутка		ПГИ  ПП2	-  						
11,5	100	Печатные проводники	90		I /7/7			пгмп  411 (	
		Пайка в плату			в гиг				
Тип разъема непосредственного контактирования	Выводы				Корпус		
	количество, шт.	шаг, мм	ЧИСЛО рядов, шт.	плотность компоновки см2/! вывод	габаритные размеры, мм		
					L	н	В
	Плата	 801	96 (4 X п, где п — -1-26)	2,54		0,16		148,5	
	Плата	 802	64 ( 4 X п, где п =  -1 -Мб)	3,81	2	0,24		147,5	‘.
	Плата	  803	48  96 (110)	2,50		0,17  0,15(0,15)	10,6	80,0  140,0 (157,5)	12,5
	Плата	  804	50  64	3,75		0,24  0,23		113,7  140,0	
	Плата	  805	48	5,00		0,30		140,0	
	Плата	  WK465 80  	Плата	  WK465 79	86	2,54	2	0,15	9,8	130,7	13,7
	Плата	  WK465 98  	Плата	  WK 465 99	64  80	3,81		0,24  0,25	12,5	123,3  161,4	17,8

* Печатная плата (ПП).
Монтажная плата.
Продолжение табл. 3.26

	злошадь на монтажной панели, см2	Высота вилки платы	Вид монтажа на месте установки	Максималь- ное усилие сочленения, Н	Конструкция разъема			
	15,7	• 124,4		288				
15,6		123,1	Печатные проводники  Пайка: проводов;  в плату Накрутка	192  192 384(440)  200  256  192				
8,5  14,8 (16,6)		63,6  123,6(141,1)			ПП			п
12,2  14,8		97,3  123,6				В --	-д	
14,8		123,6						
13,4		111,0	Печатные проводники Накрутка	Сочлене- ние 95 Расчлене- ние 90	ПП	МП		
								
						Д-j-	гг	
15,4  20,1		Не ограни- чивается	Печатные проводники  Пайка в плату  Накрутка	Сочлене- ние 120 Расчлене- ние 85 Сочлене- ние 95 Расчлене- ние 70				
								
						ж В _	1L	

^850
Таблица 3.27

Тип разъ- ема косвен- ного кон- тактиро- вания	Выводы				Корпус				Вид монтажа на месте установки	Общий внд соединителя				
	количе- ство, шт.	шаг, мм	число рядов, шт.	плотность компоновки, см2 /1 вывод	габаритные размеры, мм			площадь на монтаж- ной пане- ли, см2						
					L	Н	В							
с*	64; 96	2,54	2; 3	0,1	8,1; 10,6	95		10	Пайка в плату*					"МЛ
														
д**									Пайка: проводов накрутка**					
														
														
										в				
														
в	84; 116 —	2,54 в одном ряду	4  шахмат- ный по- рядок  		0,09  0,08	9,8	76,28  96,60	11,1	7,4*  9,7**	Пайка в плату*				т	
А									Пайка:  проводов;  в плату толщи- ной 1,6 мм спо- собом погруже- ния	I	М я	_				
														
										1—1	J	>				
										1	Lz				
											В -			
														
* Печатная плата (ПП).

** Монтажная плата (МП).
11,5

13,0

(14,5)

Пайка в плату

Пайка:
проводов;
выводов на плату
Накрутка

10,0

Пайка плоская на
плату с двусторон-
ним расположе-
нием печатных
проводников

Пайка в плату

Пайка (32, 64, 96)
Накрутка

Пайка в плату

Накрутка (32)
Пайка в плату
Пайка в плату
Накрутка (32, 48)
Таблица 3.28

Тип разъема гипер- болоидного контак- тирования	Выводы		У ста- новой- ный раз- мер, мм	Тип разъема гипер- болоидного контак- тирования	Выводы		Уста- новоч- ный раз- мер, мм
	коли- чество	ЧИСЛО рядов			коли- чество	число рядов	
ГРПМ1-31Ш*	31	2	61	ГРПМ2-90Ш	90	4	92
ГРПМ1-31Г**				ГРПМ2-90Г			
ГРПМ1-45Ш	45	2	92	ГРПМ2-122Ш	122	4	120
ГРПМ1-45Г				ГРПМ2-122Г			
ГРПМ1-61Ш	61	2	120	ГРПМ9-18Ш	18	2	45
ГРПМ1-61Г				ГРПМ9-18Г			
ГРПМ1-90Ш	90	3	120	ГРПМ9-30Ш	30	2	68
ГРПМ1-90Г				ГРПМ9-30Г			
ГРПМ1-122Ш	122	4	120	ГРПМ9-42Ш	42	2	90
ГРПМ1-122Г				ГРПМ9-42Г			
ГРПМ2-30Ш	30	4	40	ГРПМ9-52Ш	52	2	ПО
ГРПМ2-30Г				ГРПМ9-52Г			
ГРПМ2-46Ш	46	4	54	ГРПМ9-62Ш	62	2	129
ГРПМ2-46Г				ГРПМ9-62Г			
ГРПМ2-62Ш  ГРПМ2-62Г	62	4	68				

* Тип вилки.

** Тип розетки.

с угловыми выводами штырей, запаиваемыми в металлизиро-
ванные отверстия плат (индекс «У»), и с выводами припаи-
ваемыми к контактным площадкам плат (индекс «Н»). На рис-
Рис. 3.60. Схема уста-
новки вилки разъема
ГРПМ1-ШУ на печат-
ную плату

Рис. 3.61. Схема уста-
новки вилки разъема
ГРПМ9-ШН на печат-
ную плату

Рис. 3.62. Схема уста-
новки вилки разъема
ГРПМ9-ШУ на печат-
ную плату

3.60—3.62 представлены схемы установки вилок разъемов
ГРПМ1-ШУ, ГРПМ9-ШН и ГРПМ9-ШУ соответственно.

Розетки разъемов ГРПМ1 и ГРПМ9 устанавливают на шасси
блоков и панелей; электрическое соединение их выводов
осуществляют методами объемного монтажа.

Гиперболоидные гнезда в розетках всех типов закреплены
не наглухо, а с возможностью перемещения в радиальном
(до 0,3 мм) и осевом (до 0,05 мм) направлениях внутри
углублений в корпусе розетки.

Вилки разъемов ГРПМ2 (рис. 3.63) устанавливают на рамки
субблоков и шасси блоков, розетки —на шасси панелей, стоек,
шкафов. Электрическое соединение выводов вилок с провод-

Рис. 3.63. Конструкция - Лвилки разъема ГРПМ2-ЗОШО
Рис. 3.64. Конструкция вилки (а) и розетки (б) разъе-
ма МР1

никами печатных плат выполняют с помощью проволочных
перемычек, соединение выводов розеток — объемным монтажом.

Кроме упомянутых разъемов могут быть применены гипер-
болоидные разъемы типов ГРПМЗ и ГРППЗ, ГРППМ5, ГРППМ6,
ГРППМ8 и ГРППМ10.

Для осуществления межблочных соединений широкое при-
менение нашел малогабаритный разъем типа МР1, конструкция
вилки и розетки которого представлены на рис. 3.64. Число кон-
тактов в разъеме в зависимости от разновидности может быть
равным 10, 19, 30, 50, 76 и 102. Разъемы МР1 сохраняют работо-
способность в диапазоне температур от —60 до +65°С, при
влажности до 98%, давлении 1,3 • Ю-4 —294 • 103 Па, в условиях
воздействия вибрации с частотой до 2500 Гц и ускорением до
15g, многократных ударов до 35 g и линейного ускорения до 50 g.

При выборе того или иного типа разъема для разрабатываемой
ЭВМ следует учитывать его технические и эксплуатационные
характеристики и число контактных пар. С целью повышения
ремонтопригодности необходимо предусматривать резервные
контактные пары в количестве 10% от числа необходимых по
электрической схеме (но не менее двух).

Кабельные соединения в ЭВМ. Для электрического соеди-
нения ячеек, блоков, субблоков, панелей, стоек, шкафов в кон-
сТрукции ЭВМ используют кабели, которые можно раздели 1ь
на: а) высокочастотные коаксиальные; б) плоские прессованные
и плетеные; в) плоские гибкие печатные.	'

Высокочастотные коаксиальные кабели типа РК -предназна-
чены для работы в цепях с частотой более 1 МГц. Марка кабеля
состоит из двух букв (РК) и трех чисел (первое число означает
волновое сопротивление кабеля, второе —номинальный диаметр
по изоляции в миллиметрах, третье — двузначное — вид изоля-
ции и порядковый номер разработки). Промышленностью вы-
пускаются кабели со следующими видами изоляции: 1—поли-
этилен и его смеси; 2 —фторопласт; 3—полистирол (стиро-
флекс), 4 — полипропилен и его смеси, 5—резина и 6 —неоргани-
ческая изоляция. В табл. 3.29 приведены некоторые марки кабе-
лей РК и их основные параметры.

Таблица 3.29

Параметры

	волновое сопро- тивление, Ом	емкость, пФ/м	наружный диаметр, мм
РК-50-2-13	50	115	4,0
РК-50-3-13	50	НО	5,0
РК-50-2-21	50	105	4,0
РК-75-2-21	75	70	4,0
РК-75-3-11	75	70	5,0
РК-75-1,5-11	75	70	3,0
РК-75-1,5-11	75	70	3,0
В микроэлектронных вычислительных		машинах	широкое

распространение находят гибкие, многожильные, плоские кабели,
существенно облегчающие задачу сборки, наладки, ремонта и
эксплуатации. Они также позволяют более рационально исполь-
зовать объем, габариты и массу машины, предоставляют более
широкий выбор конструкторских решений, сокращают расходы
на монтаж, повышают эксплуатационную надежность, обеспе-
чивают механическую прочность и химическую устойчивость.
В ЭВМ используют прессованные, плетеные и печатные много-
жильные (многопроводные) кабели.

Прессованный гибкий кабель представляет собой совокупность
одинаковых параллельных проводников, запрессованных в гиб-
кий диэлектрик. Перед монтажом концы каждого проводника
кабеля отделяют от соседних жил и зачищают.

Примером промышленного использования плоского кабеля
Могут служить применяемые в технике ЕС ЭВМ кабели типа
ПВПмс, в которых каждая электрическая связь образуется тремя
проводниками (одним сигнальным и двумя заземленными
расположенными по обе стороны от сигнального). Все провод!
ники запрессованы в полиэтиленовую оболочку толщиной
(0,75 ±0,1) мм. Параметры двух типов кабелей ПВПмс приве-
дены в табл. 3.30.

Таблица 3.30

Параметры кабелей типа ПВПмс	Тип	
	ПВПмс 75-60X0,20	ПВПмс 100—54X0,18
Число жил, шт/, общее	60	54
сигнальных	20	18
Диаметр жил, мм	0,20	0,18
Волновое сопротивление, Ом	75 ±7,5	100 ±10
Ширина кабеля, мм	29 ±0,5	32+0,5
Расстояние между жилами проводников, мм	0,468	0,625
Расстояние между соседними заземляю- щими жилами, мм	0,4	0,4

Еще более удобны в производстве и применении плетеные
кабели, представляющие собой совокупность проводов (при
необходимости разнородных), переплетенных изолирующей
нитью. Изготовление таких кабелей производится на ткацких
станках, в них одновременно могут входить провода различных
сечений и типов —свитые пары (бифиляры), экранированные и
одножильные провода, коаксиальные кабели.

Применение ткацкой технологии дает возможность изготов-
лять кабели, в которых провода выходят из них и входят в них
в необходимых местах для подключения каких-либо схем или
элементов. Преимущество плетеного кабеля перед прессован-
ным также и в том, что этот кабель легче зачищается и в нем
легче произвести разделение проводов путем перерезания свя-
зующих нитей. Для изготовления плетеных кабелей чаще всего
используют провода марок ГФ, ГФЭ, МГТФ, МГТФЭ (см. табл.
3.14), а в качестве связующих нитей —лавсановые или капроновые
нити.

Прессованные и плетеные кабели рекомендуют устанавливать
с одной стороны платы. Зачищенные проводники кабелей могут
быть запаяны в металлизированные отверстия платы (пред-
почтительнее), припаяны к печатным контактным площадкам
или навиты на металлические штыри. Шаг расположения
металлизированных отверстий или контактных площадок под
проводники кабеля должен быть кратен 2,5 мм. Для обеспечения
надежности соединения кабели должны быть прикреплены к
плате прижимной планкой
(рис. 3.65) или с помощью
колодки (рис. 3.66). При
небольших расстояниях
между соединяемыми ячей-
ками (менее 50 мм) ис-
пользование гибких кабе-
лей нецелесообразно.

Широкое применение
плоские кабели (прессован-
ные и плетеные) находят
при межъячеечных соеди-
нениях в пределах блока,
панели, стойки, шкафа.
В этом случае они заме-
няют мягкий жгутовой мон-
таж, превосходя его по
технологичности, удобству
монтажа, наладки, ремонта.

На рис. 3.67 схематиче-
ски представлен один из
вариантов разводки провод-
ников плоского кабеля на
ответные части разъемов.
Зачищенные от изоляции

Рис. 3.65. Схема монтажа гибкого кабеля
на печатной плате с помощью прижимной
планки:

7 —прижимная планка; 2 —прокладка; 3~
гибкий кабель; 4— плата

концы проводников припаивают к

выводам разъема или накручивают на них. Закрепление кабелей
производят с помощью пластмассовых лент (замков). Аналогич-
но с помощью прессованного кабеля осуществляют межъячееч-
ные связи в ЭВМ ЕС-1040. Зачищенные концы проводников
кабелей накручивают на выводы ответных частей разъемов ячеек.

Увеличение быстродействия ЭВМ потребовало разработки
такого типа кабельного соединения, которое наряду с гибкостью

А

Рис. 3.66. Схема монтажа гибкого кабеля с помощью
колодки:

1 — плата; 2 — крышка; 3 — зажим; 4 — гибкий кабель; 5 — кор-
пус; 6— захват
Рис. 3.67. Схема разводки плоского
кабеля на задней стенке блока
(панели, стойки):

/ — гибкий кабель; 2 — плата задней стен-
ки блока; 3 — ответная часть разъемов
ячеек; 4 — захват

и технологичностью обладало бы большой полосой пропуска-
ния высокочастотных импульсных сигналов и однородными
передаточными характеристиками. Этим требованиям удовлет-
воряют печатные кабели, или шлейфы, выполненные из тонкого
гибкого фольгированного диэлектрика. Эти кабели обладают
такими полезными для ЭВМ качествами, как сгибаемость, свора-
чиваемость в рулон, скручиваемость, возможность получения
заданного волнового сопротивления путем выбора соответствую-
щей геометрии проводников. Ценным также является возмож-
ность вырезания целых -участков кабеля для промежуточных
соединений. Изготовление гибких печатных кабелей осущест-
вляют методами печатного монтажа, что обеспечивает их
технологичность, низкую стоимость, возможность оперативного
изменения рисунка кабеля.

При использовании печатных кабелей в ЭВМ следует уделять
серьезное внимание оформлению его концов и закреплению их
на платах. Печатные проводники кабеля могут заканчиваться
металлизированными или неметаллизированными отверстиями
(рис. 3.68, а) или контактными площадками (рис. 3.68, б). Шаг
расположения отверстий или площадок должен быть кратен
2,5 мм.

Припайку проводников печатного кабеля можно осущест-
влять как с одной, так и с двух сторон печатной платы. Печатные

Рис. 3.68. Гибкий печатный ка-
бель с монтажными отверстия-
ми (а) и площадками (б)

Рис. 3.69. Схема монтажа
гибкого печатного кабеля

с помощью колодки:

/ — печатная плата; 2 — колодка; 3 ~
печатный шлейф
Рис. 3.70. Схема монтажа гибкого печатного кабеля
подпайкой проводников

кабели с монтажными отверстиями (рис. 3.69, а) следует уста-
навливать на платы соединяемых ячеек или методом монтажа
на штыри в плате с последующим опаиванием (рис. 3.69, а)
или с помощью специальной присоединительной головки,
(рис. 3.69, б). Печатные кабели с контактными площадками
можно устанавливать на плату также или подпайкой площадок
к соответствующим площадкам платы («внакладку» или
«внахлест») с последующим поджатием планкой (рис. 3.70, а),
или с использованием специальной колодки (рис. 3.70, б).
В последнем случае экранный слой кабеля может быть соединен
с нулевым потенциалом платы через штыри колодки.

§ 3.5

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ В ЭВМ

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) находят все более
широкое применение не только в телевидении, системах связи,
устройствах передачи изображений и других системах, но и для
обмена информацией между различными устройствами ЭВМ
или между отдельными машинами в многомашинных комплек-
сах, вычислительных сетях, иерархических системах обработки
информации. По мнению специалистов, к 1990 г. ВОЛС займут
доминирующее положение в перечисленных системах и устрой-
ствах. Это связано с малым поперечным сечением и малой массой
волокон, большой широкополосностью, невосприимчивостью к
внешним электромагнитным помехам, отсутствием внешних
излучений, отсутствием коротких замыканий, более широким
температурным диапазоном работы и т. д.

Основу ВОЛС составляет световод или оптическое волокно.
Схему прохождения сигнала и структуру световода поясняет
Рис. 3.71J Луч света, падающий под углом 0 на торец световода,
проходит в его сердцевину и отражается под углом R от оболочки.
Отражение происходит вследствие разности коэффициентов от-
ражений оболочки п0 и сердцевины пс. После многократного
отражения луч света выходит из противоположного конца
световода практически неизменным.

В общем случае в световоде существует два типа лучей:
меридиональные, проходящие через ось световода (этот тип
лучей показан на рис. 3.71), и косые, не пересекающие ось.
\ \

4 (по) 3 (пс)

Рис. 3.71. Схема распростране-
ния лучей в световоде:
/ — отраженный луч света; 2 — выхо-
дящий луч света; 3 ~ сердцевина;
4 — оболочка; 5 — падающий луч света



С помощью простой геомет-
рии можно получить длину пути
меридионального луча:

Sec/?.

где А —длина световода.

Длина пути и время прохож-
дения луча по световоду — функ-
ция угла падения луча. Разница
между длинами пути и временем
прохождения для различных со-
ставляющих луча (мод) приводит
к сокращению информационной
емкости световода.

Для косого луча, падающего на торец световода под углом,
определяемым единичным вектором

So = Lai Ma j + M)k,

где £0, Mo и TVq—направляющие косинусы луча, в точке
' .р0 = xoi-yoj имеют место соотношения

(Sm	— 0, (Sm -j- Sm-|-|)C?>n — О-

Первое соотношение — условие компланарности падающего
и отраженного лучей, а второе — условие равенства углов падения
и отражения. При этом S„, и q т описывают луч, предшествующий
/и-отражению на границе сердцевина —оболочка.

Условием полного внутреннего отражения является соотно-
шение

IQ,„I"	, «с— "о
	~ И?

В случае рассмотрения луча в плоскости х—z (jo = O) данное
выражение в точке хо = а не зависит от М. Это означает, что луч
может входить под углом 90° к оси^ и все еще быть направляемым
с минимальной скоростью. Косые лучи в действительности могут
существовать в световоде, отражаясь под очень большими углами.

Для световода характерны следующие параметры.

Числовая апертура, определяемая соотношением

NA — упе — Па .

устанавливает степень эффективности использования излучения
источника света и особенности применения световода.
Угол 0кр, при котором происходит полное отражение луча
света от торца световода, также определяется числовой апер-
турой:

0„р = arcsin(AC4).

В световодах с малой числовой апертурой малая дисперсия
импульса, но большие потери из-за микроизгибов. Для исполь-
зования в линиях дальней связи подходят световоды со значением
№4=0,2 В. В коротких ВОЛС следует использовать световоды
с большим значением NA.

Показатели преломления сердцевины и оболочки определяют
эффективность ввода излучения в световод. Чем больше между
ними разница, тем более эффективен световод. Однако неоправ-
данно большая разница между показателями преломления серд-
цевины и оболочки ведет к увеличению дисперсии (уширению
импульса).

Затухание света в световоде обусловлено поглощением и рас-
сеянием в материале сердцевины и потерями на излучение.
Степень поглощения света материалом световода определяется
его примесями, каждый вид которой обладает определенной
полосой поглощения. Так, в волоконных световодах на основе
кварцевого стекла основной примесью являются ионы ОН-,
имеющие максимальные потери на длине волны 950 нм й слабые
полосы поглощения на длинах волн 725, 825 й 875 нм. При кон-
центрации ионов ОН-, равной 10-6, потери на длинах волн вблизи
950 нм составляют примерно 1 дБ/км.

Уширение импульса -в световодах происходит из-за наличия
в них межмодовой дисперсии и дисперсии материала. Межмодо-
вая дисперсия — следствие того, что свет, введенный в световод
под углом к оси, проходит более длинный путь по сравнению со
светом, распространяющимся вдоль оси. Эта разница длин пути
приводит к расплыванию выходного имульса. В многомодовых
световодах из кварцевого стекла с полимерной оболочкой уши-
рение импульса может быть равно 20 нс/км. Дисперсия материала
обусловлена нелинейной зависимостью показателя преломления
материала от длины волны света. Уширение импульса за счет
дисперсии материала определяется выражением

С \ d):2 /

где X — средняя длина волны передаваемого света; АХ — ширина
спектра источника света; L — длина световода; с —скорость света.

Для стеклянных световодов' типичное значение уширения
импульса из-за дисперсии материала при использовании света
с длиной волны 820 нм составляет 3—3,5 нс/км (АХ =380 А°).
Если принять критической длиной световода его длину, при
которой уширение импульса равно длительности исходного им-
пульса для определенной скорости передачи информации, то при
скорости 10 Мбит/с критическая длина световода равна 25 км при
использовании в качестве источника света светоизлучающего
диода (СИД) и 50 км при использовании лазерных источников
света.

Изгибы световода приводят к потерям на излучение, которое
сильно возрастают с уменьшением радиуса изгиба. Наименьший
допустимый радиус кривизны изгиба ограничен фактической
прочностью световодов. Относительная деформация определя-
ется выражением

где г—радиус оболочки световода, м; 7? —радиус изгиба свето-
вода, м.

Прочность световода определяется максимальным локальным
напряжением

где о —приложенное напряжение; сдеф — эффективная глубина
дефектов; гдеф — эффективный радиус дефекта.

Когда локальное напряжение, определяемое в самом слабом
месте на длине световода, достигает критического значения,
происходит разрушение.

Конструктивно световод состоит из сердцевины, покрытой
несколькими слоями защитных материалов. Первичное покры-
тие—тонкая (5—10 мкм) лаковая пленка из ацетата целлюлозы,
эпоксидной смолы, силикона, уретана или других аналогичных
материалов, защищающих материал сердцевины от воздействия
атмосферы и увеличивающих его механическую прочность.
Назначение последующих слоев — устранение воздействий на
световод поперечных сил и увеличение прочности на разрыв.

В целях устранения влияния усадки покрытий на материал
, сердцевины изготовляют трубчатый световод, располагаемый
внутри, например, полипропиленовой трубки.

Группа световодов объединяется конструктивно в оптический
кабель, в конструкцию которого кроме световодов включают
силовые элементы, демпфирующие слои и специальные наруж-
ные покрытия. На рис. 3.72 представлены несколько примеров
сечений оптйческих кабелей.

Оптический кабель (рйс.? 3.72, а) имеет 10 световодов 1,
располагающихся на цилиндрическом упрочняющем элементе 2,
защищенном покрытйем 3. Поверх световодов размещена поли-
мерная демпфирующая прокладка 4, которая помещается в поли-
мерную оболочку 5. Общий диаметр кабеля 7 мм.
Рис. 3.72. Сечение оптических кабелей

В оптическом кабеле (рис. 3.72, б) четыре световода 1 сов-
местно с упрочняющим стальным стержнем образуют суб-
кабель 2. Восемь таких субкабелей с четырьмя коаксиальными
фидерами 8 для электропитания, окруженные демпфирующим
материалом, размещаются на упрочняющих элементах 4 и 7,
защищенных полимерным покрытием 3. Поверх конструкции
нанесены демпфирующий материал 5 и защитный материал б.

В оптическом кабеле (рис. 3.72, в) световоды 1 уложены в ка-
навки фигурного пластмассового профиля 2, изготовленного ме-
тодом экструзии. Канавки следуют по винтовой линии в цилинд-
рических координатах <р=2лг/Я, где Я—шаг скрутки.
Они заполняются гелием или очень мягким материалом. Сердце-
вину кабеля образует упрочняющий элемент 3.

В оптическом кабеле (рис. 3.72, г) трубчатые световоды 1
размещаются на защищенном изоляционным материалом упроч-
няющем элементе 2. Снаружи кабель защищен дампфирующим
слоем 3 и защитным материалом 4.

В табл. 3.31 приведены характеристики некоторых выпускае-
мых зарубежными фирмами оптических кабелей.

Отечественной промышленностью выпускается большая
номенклатура оптических кабелей, характеризующихся широким
спектром параметров: наружный диаметр 4—8 мм, прочность на
разрыв 50—250 Н, коэффициент затухания 5—50 дБ/км, погонная
масса 10—50 кГ/км, температура эксплуатации от —40 до +70°С.

Оптический кабель с источником и приемником излучения
образуют волоконно-оптическую линию связи (рис. 3.73).

В качестве источника излучения используются обычно свето-
диоды или лазерные диоды с параметрами, приведенными в
табл. 3.32.

Световоды характеризуются линейной зависимостью выход-
ной оптической мощности от тока подкачки.

У лазерных диодов ярко выраженная пороговая зависимость:
после превышения порогового значения (примерно 200 мА)
световая мощность быстро растет. Практически для модуляции
Достаточно примерно 20 мА переменной составляющей. Свето-
диоды требуют высоких модулирующих токов.
Рис. 3.73. Схема bojiq.
конно-оптической ли-

нии связи:

/ —возбудитель; 2 ~ свето-
диод; 3 — передатчик; 4~
оптический кабель;’
приемник; 6— фотодиод-

7 —усилитель

Потери световой энергии при вводе в световод зависят от
числовой апертуры последнего и для светодиода равны 14—
18 дБ, для лазерного диода —3—8 дБ. Для уменьшения этих потерь
следует использовать источники излучения с малой площадкой
излучения, малым телесным углом излучения и большим сроком
службы.

В ВОЛС со скоростью передачи информации ниже 50 Мбит/с
следует использовать светодиоды, для более высоких скоростей
передачи информации —лазерные диоды.

В качестве приемников излучения (преобразователей света в
электрические сигналы) используют два типа фотодиодов: с
внутренним лавинным усилением — лавинный фотодиод (ЛФД) —
и без него. Первый обладает большей чувствительностью и
более высоким уровнем выходного сигнала по сравнению со
вторым. Однако его характеристика имеет длинный спад, приво-

Таблица 3.31

Тип оптического кабеля (фирма)	Световод		Кабель					
	материал	диа- метр, мкм	наруж- ный  диа- метр, мм	ЧИСЛО свето- водов, шт.	затуха- ние, дБ/км	проч- ность на раз- рыв, И	радиус изгиба, см	NA
1156-7 (Coming)	Кварцевое стекло	125	5,0	7	6	100	2,5	0,16
# 122 (Furukawa Elect.)	То же	125	8,0	6	6	300	15,0	0,25
2000 (Galileo)	Galite	70	4,2	210	400	260	2,0	0,66
5000 (Galileo)	»	125	4,2	19	20	260	2,0	0,20
LD (ITT)	Стекло	500	2,5	19	10	1000	2,5	0,28
STL-K4-15-10K  (Siecor)	Кварцевое стекло	125	6,5	4	10	500	5,0	0,20
ET1017 (Thomson Brandt)	Пластик	85	9,4	19	100	550	15,0	—
GP10-SA10 (Times Fiber)	Стекло	125	8,5	10	10	500	10,0	0,3
LH-PC05707 (Valtec)	Кварцевое стекло	200	3,2	7	40	100	1,0	
Таблица 3.32

Источник излучения	Параметры			Диаграмма . направленности	Срок службы, ч
	световая мощность, мВт	ширина излучаемого  спектра, Гц	модулиру- ющий ток, мА		
Светодиод  Лазерный диод	5-20  10-40	4- 10'3  2- 10’2	100  200	Симметричная  Несимметрич- ная (типа веера 5° X 30°; по уров- ню 30 дБ)	105  104

дящий к межсимвольным искажениям, и для его работы требуется
высоковольтный источник 100—500 В (второй недостаток не явля-
ется существенным ввиду незначительного потребления тока).

Лавинный фотодиод совместно с малошумящим усилителем,
преобразователем постоянного тока, цепью температурной
компенсации и другими элементами образуют модуль приемника

излучения.

В случае необходимости передачи информации на большое
расстояние во избежание потерь в ВОЛС включают регенерирую-
щие устройства, обеспечивающие промежуточное усиление
ослабленных сигналов и передачу усиленных сигналов в после-
дующий участок ВОЛС.

Одной из основных-проблем применения ВОЛС является

обеспечение надежных
разъемных соединений.
Любые радиальные сме-
щения, зазоры и пере-
косы в разъемных со-
единениях световодов,
а также в стыках свето-
вода с источником и
приемником излучения
приводят к существен-
ным потерям сигналов.
Так, при вводе излуче-
ния в световод удале-
ние торца от поверхнос-
тей светодиода на 50 мкм
приводит к потерям П =
^4 дБ, в то время как
Радиальное смещение на
ЭД мкм может привести

Рис. 3.74. Потери в световоде в случае ра-
диального (а) и углового (б) смещения
к потерям П>8 дБ. На рис. 3.74 приведены зависимости
потерь в стыке двух световодов в случае радиального и осе-
вого смещения (рис. 3.74, а) и перекоса (рис. 3.74,6).

Потери из-за осевого и радиального смещения и перекоса
могут быть уменьшены применением иммерсионных жидкостей
или клея между, торцами световодов, которые должны удержи-
ваться как можно ближе друг к другу.

Потери из-за рассогласования торцов световодов уменьшают
использованием световодов большого диаметра, а также приме-
нением прецизионных юстировочных и соединительных
устройств.

При проектировании ВОЛС основными исходными данными
являются: необходимая скорость передачи информации, отно-
шение сигнал/шум (или вероятность ошибки при передаче ин-
формации), расстояние между приемником и передатчиком
информации и вид информации (цифровой или аналоговый).
Кроме того, необходимо учитывать также физический и химиче-
ский состав окружающей среды, стоимость, надежность, воз-
можность модернизации, размеры, массу; учет совокупности
всех перечисленных факторов делает процедуру расчета ВОЛС
довольно сложной.

На начальном этапе проектирования определяется ширина
пропускания оптического кабеля в совокупности с источником
сигнала, обеспечивающая требуемую скорость передачи ин-
формации при известном расстоянии между оконечными уст-
ройствами. Так как ширина полосы сигнала зависит от типа
кабеля и источника сигнала, а также от расстояния, то не
всегда доступные для применения кабели и лазеры могут
обеспечить требуемую скорость передачи информации без
использования большого числа ретрансляторов, повышающих
стоимость всей системы. Оптимизация в этом случае может
быть проведена за счет уменьшения расстояния или сниже-
нием требований по скорости передачи информации.

Выбор оптического кабеля может быть проведен по алго-
ритму, показанному на рис. 3.75. Вводятся в ЭВМ параметры
всех доступных потребителю оптических кабелей (блок Г)-
Затем выбирается один из них (блок 2) и проводится расчет
полных потерь в системе (блоки 3, 4), начиная с потерь при
вводе излучения источника и кончая потерями при соединении
с оконечным устройством.

Учитываются потери в соединениях световодов друг с ДрУ'
гом, в разъемах (блок 5). В случае использования антиотражаю-
щих покрытий или иммерсионных материалов и согласования
соответствующих площадей источников излучения, фотодио-
дов и волоконных световодов потери можно свести к мини-
муму. Если уровень потерь превышает допустимый, ведется
расчет следующего типа кабеля.
расчет дисперсионных ог-
раничений (блок 6) необхо-
димо проводить с целью
установления совместимости
рол осы пропускания кабеля
с требуемой скоростью пе-
редачи информации. Если по
уровню потерь и дисперсии
ни один из кабелей не удов-
летворяет требованиям, не-
обходимо рассмотреть воз-
можность ослабления сис-
темных требований и ограни-
чений (блок 7).

Отвечающие требовани-
ям по уровню потерь и
дисперсии (блок 8) один или
несколько типов кабелей
рассчитываются по проч-
ностным характеристикам
(блок 10). Если ни оу/ин из
отобранных в блоках'1 2—10
кабелей не удовлезиоряет
требованиям по прочности,
необходимо предусматри-
вать дополнительные меры
защиты кабеля или выда-
ется задание на разработку
нового кабеля. Итогом вы-

иоходных
данных

бора является тип кабеля Рйс Схема алгоритма выбора
С Характеристиками, удовлет-	типа оптического кабеля

воряющими ' комплексу сис-
темных требований (блок 12).

Расчёт, приемника ВОЛС проводится после установления
общих системных требований и ограничений по алгоритму,
приведенному на рис. 3.76. Блоком 2 решается вопрос об исполь-
зовании аналоговой или цифровой модуляции источника излу-
чения. При использовании цифровой модуляции решается во-
прос, использовать ли импульсно-кодовый или фазоимпульс-
ный способ кодирования (блок 3). На следующем этапе (блок 4)
проводится расчет шума приемника в полосе частот сигнала,
Который определяется требуемой шириной полосы инфор-
мационных сигналов, шумом всех компонентов приемника
и возможным применением фильтров для подавления шумов
за пределами полосы передаваемых сигналов.

После этого оценивается отношение сигнал/шум на входе
СИстемы.
Рис. 3.76. Схема алгоритма расчета приемника света

Далее проводится выбор конкретного типа фотодиода из
имеющихся в наличии (блок 5). При этом подразумевается,
что длина волны источника соответствует чувствительности
фотодиода.

После выбора фотодиода определяется тип предусилителя
(блок 6): резистивный, с нагрузкой, интегрирующий или с изме-
няющейся обратной связью. При малых скоростях передачи
сигналов чаще используются интегрирующие усилители на
полевых транзисторах. При высоких скоростях передачи
100 Мбит/с) наиболее часто используются интегрирующие
предусилители на биполярных транзисторах.

После выбора типа предусилителя производится расчет
минимального уровня детектируемого сигнала, который опре-
деляется минимальной величиной принимаемой приемником
мощности оптического сигнала, генерирующей ток, равный
шумовому току в полосе частот сигнала (0лок 7). Затем
определяется мощность сигнала, необходима^ для достиже-
ния заданной величины отношения сигнал/шум.

Рис. 3.77. Схема

алгоритма расчета источника излучения
Блоком 10 рассматривается динамический диапазон прием,
ника с учетом изменения температуры окружающей среды и
изменения параметров линии во времени. Если ожидаемые
изменения температуры оказывают слишком сильное влияние
на приемник, то следует использовать схему температурной
компенсации (блок 77).

При расчете источника сигнала, проводимом по представ-
ленному на рис. 3.77 алгоритму, следует учитывать суммарное
значение оптической мощности, длину волны излучения и
спектральную ширину, скорость и линейность отклика (бло-
ки 7 и 3) и в случае необходимости —использование схемы
температурной компенсации (блок 72). Величина длины волны
источника (блок 2) во многом зависит от спектра затухания
выбранного типа световода. Ширина спектра определяется
полосой пропускания световода. Требуемая величина оптичес-
кой мощности определяется минимально допустимым уровнем
сигнала на входе приемника после учета всех потерь на про-
хождение сигнала, в том числе в стыках разъемов.

Длина волны источника для стеклянных световодов обычно
выбирается в пределах 840—900 нм или в области 1060 нм,
где затухание в световодах минимально.

В случае применения полимерных световодов можно ис-
пользовать более широкий набор длин волн, однако затухание
в таких световодах сравнительно велико.

Следующий блок 7 —выбор аналоговой или цифровой моду-
ляции. В случае использования аналоговой модуляции мощ-
ность источника зависит от уровня искажения сигналов. При
цифровой модуляции необходимо учитывать быстродействие
источника и выбор способа кодирования (блок 8). После выбо-
ра схемы модуляции подсчитываются потери в соединении
(блок 10) и определяется, достаточна ли величина оптической
мощности (блок 77).

После выбора источника и схемы модуляции рассчиты-
ваются величина передаваемого отношения сигнал/шум, тре-
буемая потребляемая мощность и влияние температуры на
передаваемый сигнал (блок 72). Если влияние температуры
значительно, вводят меры по температурной компенсации изме-
нений тока питания источника с помощью соответствующей
схемы обратной связи или точного регулятора тока.

§ 3.6

МИНИАТЮРНЫЕ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В ЭВМ

При построении электрической схемы ЭВМ в ряде случаев
возникает необходимость в навесных электрорадиоэлементах,
что диктуется особенностями работы схемы. Кроме того, в
машине используют различные коммутационные изделия,
элементы лицевых панелей и т. д., необходимые для управления
работой машины. Рассмотрим некоторые наиболее часто приме-
няемые в технике ЭВМ миниатюрные навесные электрорадио-
эдементы и элементы лицевых панелей.

Конденсаторы. По назначению конденсаторы под-
разделяют на высокочастотные, разделительные, проходные,
накопительные и фильтрующие.

По характеристике диэлектрика различают кон-
денсаторы бумажные, слюдяные, керамические, стеклоэмале-
вьте, электролитические и т. д.

При обозначении типа конденсатора в конструкторской до-
кументации принят следующий порядок записи: слово «конден-
сатор», тип, вариант крепления, группа по ТКЕ (температурный
коэффициент емкости), номинальное напряжение, номинальная
емкость, допускаемое отклонение от номинальной емкости в
процентах или класс точности, группа по интервалу рабочих
температур, номер ТУ или ГОСТа.

Конденсаторы постоянной емкости выпускают по следую-
щим классам точности: класс 0 имеет допуск ± 2% от номинала,
класс I —±5, класс II —±10, класс III —±20%.

Конденсаторы типа ЭМ (электрические малогабаритные)
(рис. 3.78). Эти конденсаторы часто применяют в качестве блокировочных.
Их изготовляют на напряжения 4—150 В, емкостью 0,5—50 мкФ. Срок службы
конденсаторов 1200 ч, а интервал рабочих температур от -10 до +70°С,
допускаемые отклонения от номинальной емкости до +100%.

Пример записи в конструкторской документации: «Конденса-
тор ЭМ4-20М».

Конденсаторы типа К52 (электрические танталовые объемно-
упористые) (рис. 3.79). Конденсаторы этого типа принадлежат к одним из
самых небольших электролитических конденсаторов. Их номинальная ем-
кость 10,0—100,0 мкФ, допускаемые отклонения от номинальной емкости в
пределах ±30%, номинальное напряжение постоянного тока 3—100 В, Интервал
Рабочих температур от -60 до +70°С.

Пример записи в конструкторской документации: «Конденса-
тор К52-1-15-10±20%».

Конденсаторы типа К53 (электролитические оксйдно-полупровод-
никовые) (рис. 3.80). Эти конденсаторы выпускаются промышленностью в
семи модификациях. На рис. 3.80 приведен общий вид конденсатора ти-
на К53-1, нашедший наиболее широкое распространение. Его номиналь-
ная емкость может быть 0,033—100,0 мкФ, допустимое отклонение от номи-
нала ±30%, напряжение постоянного тока 6—30 В, интервал рабочих темпе-
Рату р от -80 до +85°С.

Рис. 3.78 Конструкция конденсатора
типа ЭМ

Рис. 3.79. Конструкция конден-
сатора типа К52
Пример записи в конструкторской документации: «Конденса
тор К53-1-15 3,3 ± 20%». Конденсаторы К53-3 используют в микромодульных
конструкциях, а конденсаторы К-53-6 —для печатного монтажа.

Конденсаторы т и п а К50 (электролитические алюминиевые). Эти
конденсаторы выпускают в нескольких конструктивных вариантах, щ
рис. 3.81 представлена конструкция конденсатора типа К50-6, предназначенно-
го для установки на печатные платы. Этот тип конденсатора обладает
номинальной емкостью 1,0—4000 мкФ с допускаемым отклонением от -2g
до +80%; напряжение источника тока 6—160 В, интервал рабочих температуп
от -10 до +70°С.	р

Пример записи в конструкторской документации: «Конденса-
тор К50-6-10±20%».

Рис. 3.80. Конструкция кон-
денсатора типа К53-1

Рис. 3.81. Конструкция конденсатора
типа К50-6

Широкое распространение в ЭВМ получили керамические
конденсаторы, предназначенные в основном для работы в цепях
высокой частоты. По сравнению с другими типами конден-
саторов (слюдяными, металлобумажными и др.) их отличают
малые габаритные размеры, высокая надежность и стабиль-
ность.

По значению температурного коэффициента
емкости (ТКЕ) керамические конденсаторы разделяют на
группы, отличительные цвета покрытия которых представлены
в табл. 3.33.

Таблица 333

Группа ТКЕ	ТКЕ • IO-6 на 1°С в ин- тервале рабочих температур	Цвет покрытия конденсатора	Цвет маркировоч- ной точки
мпо	0 ± 30	Серый	—
пзз	+ (33 ±30)	»	—
П120	+ (120 ±30)	Синий	—
М47	- (47 ± 30)	Голубой	—
М75	- (75 ± 30)	»	Красный
МЗЗО	- (330 ± 100)	Красный	—
М700	- (700 ± 100)	»	—
М750	- (750 ± 100)	»	—
М1300	-(1300 ±200)	Зеленый	—
Ml 500	-(1500 ±200)	»	—
М220	- (2200 ± 500)	»	Серый
ИЗО	—	Оранжевый	Зеленый
Н50	—	»	Синий
Н70	—	»	—
Н90	—	»	Белый
Конденсаторы типа КЛС (литые, секционные). Эти конденсаторы
.щускают четырех видов: КЛС-1 (Зеленая окраска), КЛС-2 (фиолетовая
Вкраска), КЛС-3 (белая окраска) и КЛС-Е (повышенной надежности),
изготовляют конденсаторы типа КЛС по II и III классам точности.
Конструктивно их выполняют в двух вариантах (рис. 3.82, а, б).

к Пример записи в конструкторской документации: «Конденсатор
КДС-2-а-М75—20±20%».

* Конденсаторы типа КМ (монолитные). Данные конденсаторы по

«дельной емкости значительно превосходят другие типы керамических
конденсаторов. По конструкции выводов, массе и габаритным размерам
конденсаторы КМ разделяют на несколько видов: КМ-3 — неизолированные
с разнонаправленными выводами (рис. 3.83, а); КМ-4 и КМ-6 — неизолирован-
ные и изолированные с однонаправленными выводами (рис. 3.83. бу, КМ-5 —
неизолированные нелуженые и луженые без выводов (рис. 3.83, в). Основные
параметры монолитных конденсаторов и условия их эксплуатации представ-
лены в табл. 3.34.

Рис. 3.82. Конструкция конденсатора типа КЛС

Рис. 3.83.

Конструкция конденсатора типа КМ

Пример записи в конструкторской
Документации: «Конденсатор КМ-6-Н90-
0,1 ± 20%».

Конденсаторы стеклян-
ные типа К21-5. Эти конденсаторы
выпускаются промышленностью в двух
конструктивных вариантах (рис. 3.84, а, б).
Пределы номинальных емкостей этого
типа конденсаторов 2,2—330 пФ, номи-
ЛРьное напряжение 70—160 В, группы
‘КЕ: МПО, М47, М75, МЗЗО.

Пример записи в конструкторской
 °кУментации: «Конденсатор К21-5-Б-
"'*47-70-39 ± Ю%».

Рис. 3.84. Конструкция конденса-
тора типа К21-5
Тип конденса- тора	Параметры	
	группа по ТКЕ	номинальная емкость
км-з  КМ-4	ИЗО ПЗЗ, М47, М75, М75О М1500	680 пФ —0,022 мкФ  16 — 3600 пф
	ИЗО	1500 пФ —0,047 мкФ
КМ-5	ПЗЗ, М47, М75, М750 М1500  НЗО Н90	75 —5600 пФ  4700пФ — 0,068 мкФ  0,015-0,15 мкФ
КМ-6	Н90	0,1—1,0 мкФ
Таблица 3.34

			Габаритные размеры			Масса, г	Диапазон рабочих температур, °C
	номиналь- ное рабо- чее на- пряже- ние, В	реактив- ная мощ- ность, вар	L	В	Н		
—	160-250  100—250	0,5-2,0  10-40	4-12	4-12	3-5	0,5-3,0	-60-+125  -60-+155  -60-+125
1	50-160	10-40	4-14	4-14	0,7-5,0		-60-+155  -60-+125  -60-+85
	35	0,5-2,0	8-14	8-18	6	1,5-4,0	-60 - +85
Конденсаторы стеклокерамические типа К22У-1. Эти
пНденсаторы выпускают в трех конструктивных вариантах: К22У-1А (табле-
точный) (рис. 3.85, а), К22У-1Б (изолированный) (рис. 3.85, б), К22У-1В (неизо-
ТиОованный) (рис. 3.85, в). Пределы номинальных емкостей 22—15000 пФ;
лпминальное напряжение 12, 35, 70, 100, 160 и 250 В, группы ТКЕ: МПО,
Й47, МЗЗО и ИЗО.

Пример записи в конструкторской документации: «Конденса-
тор К22У-1В-Н30-33-4700 ± 10%».

Конденсаторы типаК10-17 (рис. 3.86, а —в) и типа К10-9
, ис. 3.87, а — в). Эти конденсаторы обладают самыми миниатюрными раз-
мерами и выпускаются двух типов с нормированным (группы ПЗЗ, М47,
М75, М750 и М1500) и ненормированным (группы ИЗО и Н90) ТКЕ. Допус-
тимые отклонения емкостей от номинальных значений для конденсаторов с
нормированным ТКЕ составляют ±5, ±10, ±20%, с ненормированным ТКЕ от
+ 50 до -20%; номинальное напряжение 25 В, интервал рабочих темпера-
тур от -60 до +80°С.

Рис. 3.85. Конструкция конденсатора типа К22У-1

Рис. 3.86. Конструкция конденсатора типа К10-17

Н .^25,

Нелуженый
(серебряный} Луженый

Конденсатор К-53-15 (оксидно-полупроводниковый) (рис. 3.88). Этот
тип конденсатора при своих малых габаритных размерах обладает высокой
стабильностью параметров и широким диапазоном значений емкости. В табл. 3.35
приведены параметры конденсатора типа К53-15.

Резисторы. Постоянные резисторы, выпускаемые промыш-
ленностью, имеют номинальные значения сопротивлений, соот-
ветствующие' шкале номинальных значений. Отклонения от
Номинальных значений допускаются в пределах ±5, ±10 и ±20%
'Чт° соответствует I, II, III классам точности). Номинальное
значение сопротивления и класс точности обычно указывают
на корпусе резистора. Важный параметр резистора—темпера-
гУРный коэффициент сопротивления (ТКС), значение которого
ЛЛя непроволочных резисторов находится в пределах
Рис. 3.87. Конструкция конденсатора
типа К10-9

Рис. 3.88. Конструкция конден-
сатора типа К53-15:

/ — положительный вывод; 2 — луже-
ные контакты

Таблица 3.35

Тип конденса- тора	Параметры		Габаритные размеры, мм				Масса, г
	номи- нальное напря- жение, В	номиналь- ная емкость, мкФ	L	В	Н	А	
	3	2,2; 3,3  4,7; 6,8 *  10; 15  22; 33	2,5  5,0  10,0	4  8	2	2,3  5,5	0,15  0,25  0,65  1,5
	6,3	1,5; 2,2  3,3; 4,7  6,8  10; 15	2,5  5,0  10,0	4  8	2	2,3  5,5	0,15  0,25  0,65  1,5
К53-15	10	1,0; 1,5  2,2; 3,3	2,5  5,0	4	2	2,3	0,65  1,5
	16	0,68; 1,0  1,5; 2,2  3,3; 4,7  6,8; 10	2,5  10,0	4  8	2	2,3  5,5	0,15  0,25  0,65  1,5
Продолжение табл. 3.35

Тип конденса- тора	Параметры		Габаритные размеры, мм				Масса, г
	номи- нальное напря- жение, В	номиналь- ная емкость, мкФ	L	В	Н	А	

	20	0,47; 0,68  1,0; 1,5  2,2; 3,3  4,7; 6,8	2,5  5,0  10,0	4  8	2	2,3  5,5	0,15  0,25  0,65  1,5
К53-15		0,1; 0,15;  0,22	2,5	4	1,6	2,3	0,12
	30	0,68; 1,0  1,5; 2,2  3,3; 4,7	10,0	8	2		0,25	  0,65  1,5
							
						5,5	
							
		0,33; 0,47	2,5			2,3	0,15

а для

проволочных резисторов —

±(2 + 20) • 10-4	град-1,

±2 • 10-4 град-1.

В микроэлектронных

вычислительных машинах наиболее

широкое распространение нашли резисторы типа УЛИ (угле-
родистые, лакированные, измерительные); УЛМ (углеродис-
тые, лакированные малогабаритные); УНУ (углеродистые не-
защищенные, ультравысокочастотные); МЛТ (металлопленочные,
лакированные, теплостойкие); КИМ (композиционные изоли-
рованные, малогабаритные); СЧ-1 (повышенной теплостойкости
на неорганической связке) и др.

В конструкторской документации при обозначении резисто-
ров указывают наименование типа резистора, номинальную
мощность, номинальное сопротивление, класс точности, группы
ТКС, номер технических условий или ГОСТа.

Коммутационные изделия и элементы лицевых панелей. Для
Управления работой ЭВМ, сигнализации режимов, включения
и выключения устройств и т. д. применяют коммутационные
Изделия и элементы лицевых панелей: различного рода пере-
ключатели, тумблеры, кнопки, сигнальные фонари и т. п.

Микропереключатели типа МП (МП-1, МП-3, МП-5). Эти пе-
+э^чатели предназначены для работы в диапазоне температур от -60 до
°0 с (МП-1, МП-3) и от -60 до +125°С (МП-5). Напряжение коммута-
Рис. 3.89. Конструкция микропе-
реключателя МП

ции — постоянное до 30 В, переменно
до 250 В,- ток коммутации до 3 д q/
щий вид микропереключателя МП пред
ставлен на рис. 3.89.	д'

Микротумблеры типа Мт
Эти микротумблеры, построенные на
нове микропереключателей МП, работают
в диапазоне температур от -60 до +100°С
при воздействии вибрации 5—2000 Гц с
ускорением до 8g и при воздействии
ударов с ускорением до 150g. Микро-
тумблеры МТ-1 и МТ-3 (сдвоенные) осу-

ществляют коммутацию цепей за время
около 0,01 с. Конструкция обоих типов микротумблеров представлена на
рис. 3.90. '

Кнопки. На рис. 3.91—3.94 представлены габаритные чертежи и ва-
рианты крепления малогабаритных кнопок соответственно КМ, КПЗ, МПК
КЗ. Параметрц каждого вида кнопок приведены в табл. 3.36.	1

65°

Рис. 3.90. Конструкция микротумблеров МТ-1 (а,) и
МТ-3 (б)

Рис. 3.91. Конструкция кнопки КМ1-1

Рис. 3.92. Конструкция кнопки КПЗ
Рис. 3.93. Конструкция
кнопки МПК1-1

Рис. 3.94. Конструкция
кнопки КЗ

Таблица 3.36

Тип кнопки	Параметры			Виброустойчивость		Ускорение при ударах, g
	напряже- ние комму- тации, В	ток комму- тации, А	диапазон температур, °C	частота, Гц	ускорение, 8	
КМ1-1  КМ2-1	= 30  -220	= 4  — 3	-60-^+100	5-200	8	150
КЗ КПЗ МПК1-1	= 300  -220	= 3 — 2	-60^+70	10-200	4	—
МПК2-1	30	0,5	-60 -ь +100	10 - 2500 ✓	12	75

Переключатель типа ПКн 111-1-1 (рис. 3.95, а — в) устанавли-
вается непосредственно на печатную плату и запаивается со-
вместно с другими элементами.

Следует отметить одну важную конструктивную особен-
ность переключателей, устанавливаемых на печатные платы,—
это обеспечение механической прочности печатной платы при
нажатии на клавиши. В зависимости от назначения клавиатуры
Усилие нажатия на клавиши составляет 2,8—15,0 Н.

Как правило, клавиатура состоит из большого числа пере-
ключателей (может доходить до 100 шт.), размещенных на
Знатной плате значительных размеров, порядка 8U/322,25X
Рис. 3.95. Конструкция

переключателя

ПКнШ-1-1

грязненным воздухом они должны

X160/220 / мм /, 9U /
/366,7 X 160/220 / м/
или 10U/411,15 X 16О/
/220 / мм. Приложение
усилий на переключате-
ли, находящиеся, напри-
мер, в середине платы
вызывает чрезмерный
прогиб платы, а это мо-
жет привести к обрыву
печатных проводников.
Механическая прочность
печатной платы обеспе-
чивается с помощью
угольников, закрепляе-
мых винтами на плате,
и введением дополни-
тельной стальной пане-
ли, механически соеди-
няемой (винтами) с пе-
чатной платой и воспри-
нимающей усилия нажа-
тия.

При установке ЭВМ
в металлорежущее обо-
рудование в цехах с за-
быть защищены от по-

падания внутрь корпуса твердых посторонних тел и проник-
новения паров и жидкости. Это требование относится соот-
ветственно как к ЭВМ в целом, так и к ее элементам, по-
средством которых она сообщается со средой. Различаются
два способа защиты переключателей и кнопок: а) коллектив-
ный—посредством защитного чехла, изготовленного прессова-
нием из кремнийорганической резины, как это выполнено
в микро-ЭВМ «Электроника НЦ-31»; б) индивидуальный —по-
средством прокладок и уплотнений.

В клавиатурах микрокалькуляторов используются специаль-
ные особо низкие переключатели. При этом применяется кон-
тактирование посредством: 1) общей на всю клавиатуру про-
водящей резиновой прокладки; 2) плоской бронзовой пружины;
3) индивидуальных мембран, монтируемых на печатной плате.
(Последняя может принадлежать только клавиатуре и соеди-
няться с основной платой изделия плоским кабелем.) Однако
более удобной оказывается компоновка переключателей лЮ'
бого из перечисленных типов контактирования на общей пе-
чатной плате наряду с ИС и другими элементами. Таким образом,
возникло новое направление в конструировании клавиатур»
Глава 3. Элементная и конструктивно-технологическая базы 193
пторое широко используется в компоновке микро-ЭВМ, осо-
£еЯЯо одноплатных моделей. Основные преимущества микро-
калькуляторных клавиатур —простота и экономичность компо-
новки и сборки, обусловленные автоматизацией производства,
более высокая плотность компоновки на поверхности платы —
12—1,6 см2 на 1 клавишу по сравнению с 3 см2 на 1 кла-
вишу’ Для обычной клавиатуры. К преимуществам следует
также отнести небольшую высоту клавиатуры (4—6 мм), сопо-
ставимую с элементами, размещаемыми на плате.

Элементы индикации. Элементы индикации представляют

собой активные или пассивные индикаторы — светодиодные,
плазменные, жидкокристаллические. Свет, излучаемый актив-
ными индикаторами, зависит от значения подводимой к ним
электрической энергии. Пассивные индикаторы только пропус-
кают или отражают окружающий свет, действуя как электро-
оптический затвор, управляемый напряжением. В настоящее
время в ЭВМ в основном применяются активные индикаторы
в индивидуальном и матричном исполнении (светодиодные)

и в матричном многосимвольном исполнении —плазменные.

Основные типы и параметры современных элементов ин-
дикации приведены в табл. 3.37.

Рассмотрим несколько примеров применения и компоновки
наиболее распространенных в ЭВМ индикаторов.

Во многих моделях ЭВМ широко применяются светодиоды

АЛ307А и АЛ307Б с красным цветом свечения, а также

АЛ307Г с зеленым цветом свечения; их общий вид приведен

на рис. 3.96. Размеры светодиодов — шаг выводов, равный 2,5 мм,
и высота над платой не более 10,2 мм —позволяют применять

их непосредственно на печатной плате наряду
элементами.

Основные электрические и конструктивные
параметры плоских светодиодных цифровых и
' Цифробуквенных индикаторов приведены на рис.
3-97, а —в и в табл. 3.38.

Светодиоды имеют следующие достоинства:
1) совместимость с БИС по электрическим, кон-
, структивным и эксплуатационным параметрам;

возможность выбора цвета; 3) небольшая по-
требляемая мбщность; 4) долговечность при вы-
сокой надежности и ударной и вибрационной
стойкости.

Электролюминесцентные индикаторы характе-
ризуются: большим углом обзора, возможностью
получения различного цвета свечения за счет
РИменения электролюминофоров разных типов,
I в?10* мощностью потребления, возможностью
наРИаций конструктивных размеров, плотности

I 7"’(51)

с другими

ф в

Рис. 3.96.
Конструк-
ция свето-
диода ти-
па АЛ307
Тип индикатора	Параметры		
	мощность потребле- ния, мВт	потребляемые напряжение и ток	быстродействие
Жидкокрис- таллические	0,045	10 В, двойная амплитуда, 1 мкА перемен- ного тока	Среднее(при низких темпе- ратурах пере- ключение за- медляется)
Светодиодные	15	4 В, 10 мА постоянного тока	Высокое
Ламповые (на нитях накали- вания)	250	4,5 В, 24 мА переменного тока на сегмент	Низкое
Газоразряд- ные	275	180 В, 2 мА переменного тока на сегмент	Высокое
Газоразряд- ные панели	750	200 В, 2 мА постоянного тока на сегмент	Высокое
Вакуумные люминесцент- ные	90	18 В, 1,3 мА переменного тока плюс пи- тания накала и сеточной \цепи	Высокое
Таблица 3.37

Рабочий диапазон . температур, °C	Возможность выбора цвета	Наи- большая высота знака, мм	Долговечность, тыс. ч
0-55	Ограниченная (требует внеш- него подогрева)	50	10—50 (зависит от влажности окружающей среды)
-55 — +85	Большая. Крас- ный, оранже- вый, желтый или зеленый	•15	100-00
-50 + 4-70 '	Ограничен- ная. Большая яркость, при светофильтре возможен лю- бой цвет	25	50-200
Ограничен- ный, 0 + +65	Ограничен- ная. Обычно оранжевый	20	100-200
Ограничен- ный, 0 — +70	Ограничен- ная. Обычно оранжевый	13	25-100
Ограничен- ный, 0 —+75	Большая. Сине-зеленый. При свето- фильтрах мож- I но получить	1  другого цвета /	25	10-150
7 max

Рис. 3.97. Конструкция плоских светодиодных
ных индикаторов

цифровых и цифробуквен-

Таблица 3.38

Параметры индикаторов	Тип индикатора			
	цифровой	цифро-алфа- витный	малогабарит- ный цифро- вой	цифровой
Яркость свечения, кд/м2 Размеры цифры, мм Число сегментов в цифре Гок через сегмент, мА Прямое напряжение, В Цлотность тока, А/см2 Цвет свечения  Частота излучения, мкм м ^иРина полосы излучения,  ^черцИОнность нс ГИсУнок  7*	250  4,8 X 6,8 14+ 1 20  4,0  18 Красный  3.97, а	250  6,4 X 8,9  35 + 1 .  10  2,0 11 Красный  0,63-0,69  0,040 30  3.97, б	350 2X3 7 + 1  5,0 2,0 16 Красный  3.97, в	6,4 X 7,5 7+1 20 3,0  Желто- зеленый  3.97,г
расположения и форм светящихся знаков, минимальной высотой

По виду и характеру высвечиваемого из о бра'
жения индикаторы подразделяются на буквенно-цифровое
мнемонические, с видимым изображением: с изменением цвета
свечения, матричные и мозаичные индикаторы. Типы и раз,
меры индикаторов, наиболее широко применяемые в ЭВ\{

Таблица 3.39

Тип индикатора	Параметры, мм		—  Габаритные размеры, мм			
	размер ви- димой части стекла	высота знака	L	Н	~ ——  в	
					без соеди- нителя	с соедини- телем РП-14
ИЭЛ-1	11 X 14,8	—	15	20	18,5		
ИЭЛ-П	13X35	—	17	40	18,5	40,2
иэл-ш	14X22	19	21	29	18,5	41,0
ИЭЛ-IV	15,5 X 23,5	19	22	42	17,5	—
иэл-v	25X25	22	33	33	18,5	40,2
ИЭЛ-Vl	34X40	40	43 .	59	25,3	55,9
ИЭЛ-VII	36X76	70	45	85	25,3	—

приведены в табл. 3.39. Индикаторы подразделяются на 13
типоразмеров, при этом за основу берется размер стекла
индикатора в плане. Пример конструкции мнемонического
индикатора приведен на рис. 3.98.

Рис. 3.98. Конструкция мнемони-
ческого индикатора:

7 — панель, 2 — рамка; 3 — прокладка из
стекла; 4 — корпус; 5—разъем

Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) предназначены
для отображения информации в виде графиков, гистограмм,
знаков и символов любого начертания. ГИП имеют следующие
особенности: высокую степень интеграции светящихся эле-
ментов; высокое быстродействие (до 20 мс); меньший разброс
по яркости (25% от номинала) по сравнению с другими ин-
дикаторами (50%); универсальность отображаемой информаций
Параметры основных ГИП приведены в табл. 3.40. С УчеТ0
отмеченных особенностей и удобств компоновки и эксПЛУ
Таблица 3.40

Параметры	Тип газоразрядных индикаторных панелей			
	ИГПП 32/32	ИГПП 16/32	ИГПП с са- москаниро- ванием	ГИП-10000
.—— '  Мощность потребления,			2000	
мВт  Напряжение, В  Размеры светового элемен-	20	20		—
	200	200	250	230
тц знака, мм	3X3	3X3	ЮХ 7	0,6
Шаг светового элемента, мм Яркость свечения, кд/м2	6	6	—	1
	160	160	140	50
Угол обзора, град	±45	±45	±45	±45
Долговечность, ч Габаритные размеры	—	—	5000	1000
LXBXH, мм	193X193X32	193X97X32	220X65X40	145X145X33
Масса, кг	1,2	0,6	0,5	0,65
Цвет свечения	Зеленый  1		Оранжево- красный	Оранжево- красный

тации ГИП получили большое распространение в ЭВМ. При-
менение, например, ГИП вместо ЭЛТ в целом ряде устройств
позволяет: 1) снизить массу в два раза; 2) уменьшить в три
раза объем; 3) снизить с 7 кВт до 230 В рабочее напряже-
ние; 4) улучшить четкость изображения.

При использовании ламп накаливания в качестве элементов
индикации их следует размещать в патроны, примеры кон-
струкций которых приведены на рис. 3.99. Патроны включают
в себя цветной колпачок 7, лампу 3, патрон 4, фотопленку
с символом или надписью 2, обрамление 5 и держатель 6.
В первом случае (рис. 3.99, а) используется патрон типа ПРМ1
или ПШМ1, лампы МНЗ,5-0,26; МН6-3-0,22; ТН-0,2-1; ТН-0,3;
СМ28-2,8 и т. д. Колпачок может иметь белый, желтый,
красный, зеленый, синий цвет. Между стеклами колпачка
вкладывается фотопленка с символом или надписью. В ва-
рианте, представленном на рис. 3.99, б, используют патрон
ПШМ1, лампу ТН-0,3 и обрамление. Обрамления выпускаются

Рис. 3.99. Примеры конструкций патронов для ламп накаливания
промышленностью черного, белого, серого, синего цветов. В ва-
рианте, представленном на рис. 3.99, в используют держателе
ДКЛ, лампы КМ6-60; КМ12-90; КМ24-35; КМ-24-90; КМ48-50
КМ60-55 и колпачок белого, желтого, красного, зеленого ц
синего цветов. Приведенные элементы индикации допускают
эксплуатацию в диапазоне температур от -60 до +60°С, а также
при относительной влажности до 98%.

Задания для самопроверки

1.	Что дает для проектирования и производства ЭВМ разбиение ее
конструкции на иерархические уровни?

2.	Назовите типы ЭВМ с минимальным и максимальным числом уров-
ней конструктивной иерархии.

3.	Назовите преимущества и недостатки использования бескорпусных
ИС, ИС в микрокорпусах.

4.	Назовите важнейшие характеристики интегральных логических схем
БИС микропроцессоров.

5.	Назовите способы изготовления печатных плат, их преимущества
и недостатки.

6.	Какие преимущества дает использование керамических коммутацион-
ных плат по сравнению с обычными печатными на органической основе?

7.	В чем особенности распространения высокочастотного переменного
тока по сечению печатного проводника?

8.	Что нужно сделать, чтобы уменьшить паразитную емкость, индук-
тивность между печатными проводниками?

9.	Проведите сравнение между простым алгоритмом Ли, лучевым алго-
ритмом, маршрутными алгоритмами.

• 10. Назовите преимущества и недостатки монтажа методом накрутки.

11.	Назовите преимущества и недостатки волоконно-оптических линий
связи.

12.	Назовите основные причины возникновения потерь сигналов в ВОЛС.

13.	Приведите все компоненты конструкции ВОЛС для связи двух. ЭВМ.

14.	Какова доля миниатюрных электрорадиоэлементов в схеме и кон-
струкции ЭВМ?
ГЛАВА 4

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ, УЗЛОВ
и УСТРОЙСТВ СТАЦИОНАРНЫХ ЭВМ И СИСТЕМ

Процесс разработки конструкции микроэлектронной вычислительной ма-
шины и системы включает в себя решение ряда сложных взаимосвязан-
ных научно-технических и инженерных задач. Для их правильного решения
(оптимального удовлетворения требований заказчика, разработчика, изгото-
вителя и пользователя) требуется тщательно изучать и применять опыт
конструирования микроэлектронной аппаратуры различных отечественных и
зарубежных фирм. Кроме того, при конструировании следует неукоснитель-
но придерживаться требований стандартов и других руководящих техниче-
ских материалов.

§ 4.1

ВЫБОР СЕРИИ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ БИС

Один из важнейших этапов разработки ЭВМ —выбор серии
ИС, так как от правильного выбора зависит, будет ли в ко-
нечном итоге разрабатываемая машина отвечать - всем требо-
ваниям, предъявляемым к ней в техническом задании.

В общему случае "выбор оптимального объекта Ак из неко-
торого множества объектов N

Ab^N(ai, а?. а*, .... а,,,)

включает в себя ряд исходных данных: конечное множество
объектов, из которых производится выбор; цель выбора; со-
вокупность параметров, характеризующих объекты выбора, и т. д.

Серии ИС как объект выбора характеризуются совокуп-
ностью различных параметров, имеющих различную размер-
ность (тока, напряжения, времени, емкости, сопротивления,
мощности), а также безразмерными параметрами. Это заставляет
Разработчика ЭВМ при выборе необходимой серии ИС приме-
нять методику, основанную на использовании весовых коэф-
фициентов, числовые значения которых ставятся в соответствие
тому или иному параметру.

Приступая к проектированию ЭВМ, разработчик, исходя из
требований ТЗ на машину, определяет минимальный набор
характеристик (критериев сравнения), по которым он будет
Производить выбор серии ИС. При этом может оказаться,
Ито предъявляемым требованиям отвечает не одна, а несколько
сеРий ИС. Тогда разработчик останавливает свой выбор на
любой из отобранных серий. Подобная методика выбора не
Исключает появления ошибки: при реализации машины может
оказаться, что выбранная серия не дает оптимального реще.
ния. Более правильный результат при выборе серии ИС можно
получить, используя весовые коэффициенты (коэффициенты
важности), присваиваемые основным параметрам серий логи-
ческих элементов. Чем более важен тот или иной параметр'
тем больший весовой коэффициент ему присваивается. Выбор
серии ИС в этом случае производят сравнением имеющихся
серий по параметру, обладающему максимальным весовым
коэффициентом. Если у нескольких серий ИС одинаковое чис-
ловое значение этого важнейшего параметра (удовлетворяющего
разработчика), то остальные отбрасываются, а отобранные срав-
ниваются по параметру, имеющему второе по величине зна-
чение коэффициента важности. Так повторяют до тех пор
пока не останется серия ИС, полностью удовлетворяющая
требованиям разработчика.

Весовые коэффициенты задаются целыми числами, при этом
их сумма ограничивается некоторой величиной =В.

Сравнение серий ИС по каждому из параметров в отдель-
ности не учитывает всю совокупность параметров в их взаимо-
связи. Поэтому при выборе серии ИС часто берут обобщен-
ные критерии, использующие различные комбинации основных
параметров.

Наиболее известный и широко применяемый обобщенный
критерий выбора серии ИС— работа переключения, определяе-
мая произведением средней задержки на среднюю мощность
потребления:	_ ____________

4 = р I	(4.1)

I   г ОПТ ср'зд р ср-

Очевидно, что' чем меньше работа переключения А, тем
лучше ИС. Значение параметра А для большинства логиче-
ских схем остается постоянным при условии постоянства
параметров транзисторов. Наименьшим значением работы
переключения обладают ТТЛ-схемы, наибольшим — РТЛ-схемы.
Значение параметра А зависит не только от типа логической
ИС, но и от ее конструкции и технологии изготовления.
Поэтому данный критерий весьма удобен при сравнении схем
одного типа, изготовленных на различном оборудовании с
применением различных технологических приемов.

Достоинство критерия работы переключения в том, что
для всех типов ИС существует тесная взаимосвязь межДУ
средней задержкой и средней мощностью потребления. Не-
достаток-отсутствие в (4.1) параметра помехоустойчивости.

Этого недостатка лишен второй обобщенный критерии"
добротность,<определяемая соотношением

l L Г

Qc	' —“ (Араз) Kqo—-СОП£1.

’not ср'зл р ср
Добротность, так же как и работа переключения, зависит
т уровня технологии, однако она более всесторонне харак-
теризует свойства логических схем.

Третий критерий — коэффициент использования питания — оп-
ределяется отношением мощности распространения к средней
мощности потребления схемы. Под мощностью распространения
при этом понимается минимальное значение мощности рас-
сеяния, необходимое для того, чтобы импульс включения
с минимально допустимой скоростью распространялся по схеме.
Мощность рассеяния идеального логического элемента в выклю-
ченном состоянии равна 0, а после включения его мощность рассея-
ния равна мощности распространения. Считается, что мощность
рассеяния логического элемента в выключенном состоянии бес-
полезна, хотя она и может быть необходима для его правильной
работы.

Максимальным значением коэффициента использования пита-
ния обладают ТТЛ-схемы, минимальным — эмиттерно-связанная
логика.

Использование обобщенных критериев хотя и облегчает
выбор оптимальной серии ИС для разрабатываемой ЭВМ,
однако не учитывает ряда характеристик как самих серий ИС,
так и возможных параметров машины. Такой учет взаимо-
связанных характеристик возможен при применении специаль-
ной методики, аналогичной методике выбора системы элемен-
тов для ЭВМ второго поколения. Эта методика в случае
выбора логических ИС заключается в следующем. Произво-
дится сравнительная оценка по параметрам, отражающим
производственные и потребительские качества той или иной
серии ИС, что дает возможность провести выбор серии ИС,
оптимальной с точки зрения конструктивной, технической,
экономической, технологической и эксплуатационной.

По количественному определению сравниваемые
параметры делят на две группы.

Группа 1. К ней относятся параметры, характеризующие
качество серии ИС и содержащиеся в технической докумен-
тации на нее: а) устойчивость к климатическим воздействиям;
б) устойчивость к механическим воздействиям; в) устойчивость
к воздействию проникающей радиации; г) средняя задержка
на элемент; д) статическая помехоустойчивость; е) число типов
элементов в серии; ж) количество номиналов питающих напря-
жений; з) допустимые отклонения от номиналов питающих
напряжений; и) технический ресурс; к) габаритные размеры
корпуСа- л) коэффициент объединения по входу (для основного
элемента); м) коэффициент разветвления по выходу (для
м°щного элемента); н) степень интеграции логических функ-
ций (число логических функций, выполняемых основным
Дементом); о) стоимость основного элемента.
Группа 2. К этой группе относятся параметры, опреде
ляемые возможностями вычислительных устройств, построен'
ных с применением той или иной серии микросхем: п) макси^
мальная тактовая частота работы; р) надежность (вероятность
безотказной работы); с) мощность потребления; т) стоимость
изготовления; у) стоимость комплектующих изделий; ф) объем-
х) масса.	’

Параметры второй группы определяют из конструкторской
документации на устройство (схему). Для сравнительного ана-
лиза необходимо выпускать конструкторскую документацию
на одно и то же устройство с применением каждой из анализи-
руемых типов серий ИС.

После установления параметров качества обеих групп для
каждой серии ИС их сводят в матрицу параметров вида

%21, Х22,	, Х2т

Хц

Хп1,	••• > %пт

где /=1, 2, 3, ..., и —номер серии ИС;у=1, 2, 3, ...; т — номер
учитываемого параметра.

Параметры матрицы X, имеющие количественные выра-
жения, приводятся к такому виду, чтобы большему числовому
значению параметра соответствовало лучшее качество се-
рии ИС. Параметры, не удовлетворяющие этому условию,
пересчитывают по формуле

Уч = 1 / Xij.

В результате получают матрицу приведенных параметров:

Y = ||y17||.

Затем производят нормирование параметров матрицы Y:

^0" == (Уmax I Уч)/Утах

где jmaxj—максимальное значение j-ro параметра.

В результате получают матрицу нормированных параметров

А = ||а,,||.

Для обобщенного анализа систем элементов вводят оценоч-
ную функцию	-----------

Qi= £ Ct,/*;.

(4.2)

где bj — весовой коэффициент J-го параметра.

Весовые коэффициенты могут быть заданы в техническом
задании на машину или главным конструктором разработки.
Основной критерий при установлении весового коэффициен-
та —тип разрабатываемой ЭВМ и условия ее эксплуатации-
весовые коэффициенты накладывают следующее огра-
ничение:

/=|

Определив Qi для каждой из сравниваемых серий ИС, можно
определить серию, наиболее полно удовлетворяющую предъяв-
ляемым требованиям к ЭВМ, так как лучшей серии ИС соот-
ветствует меньшее значение оценочной функции Q,. Таким об-
разом, процедура сравнительного анализа серий ИС сводится
к следующим этапам:

Этап 1. Серии ИС рассматривают с точки зрения их при-
годности по параметрам а — д, ж, з, и, п, р,' с. Если по одному
из этих параметров серия не удовлетворяет тактико-техничес-
ким требованиям на машину, то ее отбрасывают и не исполь-
зуют.

Этап 2. Из параметров отобранных серий составляют
матрицу X, которую затем при необходимости преобразуют в
матрицу Y.

Этап 3. Полученную матрицу нормируют (получают матри-
цу А) и с учетом весовых коэффициентов определяют оценоч-
ную функцию для каждой из рассматриваемых серий. Та се-
рия ИС, у которой величина Q(. меньше, признается наиболее
оптимальной.

Пример. Пусть серии ИС, обозначенные индексами I, II, III, удовлетво-
ряют по параметрам а — д, ж, з, и, р, с тактико-техническим требованиям.
Провести сравнение этих серий ИС по шести параметрам, значения которых
приведены в табл. 4.1, учитывать весовые коэффициенты, указанные в таблице.

Из приведенных в табл. 4.1 параметров составляем матрицу X:

	1,5	0,5	8	10	5	5
х=	3,0	0,4	12	7	8	3
	1,0	0,4	9	4	10	7

Таблица 4.1

Индекс серии ИС	Параметры				Стои- мость основно- го эле- мента, руб.	Масса устрой- ства, кг
	тактовая частота, мГ ц	коэффи- циент по- мехоус- тойчи- вости	ЧИСЛО типов микро- схем	коэффи- циент разветв-. ления по выходу		
1	° 1	3	4	5	6	7
1  П	1,5	0,5	8	10	5	5
	3,0	0,4	12	7	8	3
П1  Весовой коэффици- ент bj	1,0	0,4	9	4	10	7
	0,35	0,15	0,05	0,15	0,05	0,25
Данную матрицу необходимо преобразовать в матрицу Y, причем пеп
счету следует подвергнуть столбцы 3, 5, 6, так как в этих столбцах нах
дятся параметры, большему числовому значению которых соответствует Xvn0'
шее качество серии ИС. После преобразования матрица Y будет иметь вид

Y =

1,5	0,5	0,125	10	0,2	0,2
3,0	0,4	0,083	7	0,125	0,333
1,0	0,4	0,111	4	0,1	0,143

Производим нормирование параметров матрицы Y:

	0,5	0,0	0,0	0,0	0.0	0,4
А =	0,0	0,2	0,34	0,3	0,375	о.о
	0,67	0,2	0,11	0,6	0,5	0,57

С учетом весовых коэффициентов подсчитываем значение оценочных функ-
ций для каждой серии ИС по выражению (4.2):

Q, =0,275;

Qu = 0,lll|
Qin = 0,443.

Таким образом, оптимальной для проектируемой машины будет серия ИС,
обозначенная индексом II, как обладающая минимальным значением оценоч-
ной функции.

Рассмотренная выше методика выбора серии ИС путем
нахождения оценочной функции обладает одним существен-
ным недостатком: для ее проведения необходимо иметь всю
схемно-конструкторскую документацию на ЭВМ. Чаще же всего
выбор системы элементов требуется провести до того, как
разработана ЭВМ и известны ее основные схемно-конструк-
торские решения. При этом возможны два пути.

Первый путь основан на анализе функционального состава
существующих ЭВМ различного назначения. Этот анализ пока-
зывает, что в ЭВМ наблюдается довольно хорошая устойчи-
вость функционального состава: в среднем любая машина
состоит на 50% из схем И, на 25% из схем ИЛИ; на 8% из
триггеров и на 17% из мощных усилительных элементов.
Исходя из этого, можно, не имея общей схемы машины,
провести оценку серий ИС по вышеприведенной методике.

Второй путь заключается в разработе и изготовлении какого-
либо типового узла ЭВМ (сумматора, счетчика и т. п.) или эта-
лонного устройства на сравниваемых сериях ИС. Проведя
исследование полученных устройств, можно получить критерии
второй группы для каждой из серий и провести сравнительный
анализ по той же методике. В качестве эталонного может быть
использовано устройство, схема которого приведена на рис. 4.1,
а временная диаграмма работы — на рис. 4.2. В состав устройства
входят типовые узлы вычислительного устройства: 4-разряД-
ный счетчик, одноступенчатый дешифратор на 16 выходов,
16-разрядный регистр со сдвигом на один разряд, накапливаю-
Рис. 4.1. Схема эталонного устройства:

1 — 4-разрядный счетчик; 2 — дешифратор; 3 — схема сравнения; 4— накап-
ливающий 5-разрядный сумматор; -5 — 4-разрядная схема сравнения

щий сумматор на пять раз-
рядов, схема сравнения на
16 входов последовательного
или параллельного типа, схе-
ма сравнения на четыре раз-
ряда, схема управления, схема
индикации содержимого сум-
матора.

После построения эталон-
ного устройства на всех срав-
ниваемых сериях ИС опреде-
ляются число использованных
корпусов микросхем и времен-
ные параметры. Эти два па-
раметра являются решающи-
ми при прочих равных усло-
виях.

Сравнение и выбор микро-
процессорных БИС по выше-
приведенной методике также
возможен. Однако более эф-
фективна методика, основан-
ная на сопоставлении имею-

Рис. 4.2. Временная-диаграмма работы
эталонного устройства
щихся микропроцессорных комплектов БИС с гипотетически»,
эталонным. Это связано с бинарной природой микропроцес
сора (МП) как изделия вычислительной техники в микр0'
электронном исполнении.

Как изделие микроэлектроники микропроцессор может быть
охарактеризован первой группой параметров, отражающИх
качество ИС.

Как вычислительное устройство микропроцессор характерц. I
зуется: разрядностью обрабатываемых данных и выполняемых ।
команд, способностью к наращиванию разрядности, временем
выполнения команд типа регистр —регистр и регистр —память I
числом команд (микрокоманд), наличием микропрограммного '
управления, числом внутренних регистров (РОН, индексных
арифметических, вспомогательных), возможностью обеспе-
чения режима прерывания, числом уровней прерывания, тиром
интерфейса, способностью к обработке десятичных кодов
наличием и объемом стека, объемом адресуемой памяти
наличием канала прямого доступа к памяти, числом входных
и выходных шин и их разрядностью, наличием резидентного
ассемблера, кросс-ассемблера, управляющей программы, транс-
лятора с языков высокого уровня.

Эталонным будем называть гипотетический микропроцес-
сорный комплект БИС (МПК ИС), обладающий лучшим для
каждого параметра числовым значением для всех сравниваемых
МПК. Большему числовому значению Ь. соответствует большая
степень важности параметра.

Отношение числового значения каждого параметра эталон-
ного МПКа,э к числовому значению того же параметра
реального МПКа,у образует относительный показа-
тель Ри (Pij = а,7 /а1з в тех случаях, когда лучшему качеству
параметра соответствует большее его числовое значение).
Параметр качества МПК Qj, учитывающий относительный
показатель Рц и весовые коэффициенты bi, может быть
определен по выражению

Qi— ]/ S [(1-Л/Х1-Ш2 

где j=l, 2, 3, ... — число сравниваемых МПК.

Микропроцессорный комплект БИС, обладающий меньшим
числовым значением параметра качества, является оптималь-
ным для данных условий применения.

Важным критерием выбора МПК ИС является экономическая
эффективность его использования в том или ином виде аппа-
ратуры. При этом имеется в виду не столько стоимость собст-
венно МП по сравнению со стоимостью заменяемых им микро-
схем, сколько сокращение длительности разработки аппаратур1»1
Применением МПК, повышение ее надежности и т. д. Исходя
с] этого можно записать, что критерий экономической эффек-
тивности К3 — экономический эффект от использования МП в
аппаратуре— складывается из следующих составляющих:

= К',1 + Кэ2 + ^эЗ— Кч,

де — экономический эффект от использования МПК в аппа-
ратуре; КЭ1 — экономический эффект от эксплуатации аппара-
туры со встроенным МП; Кэз — экономический эффект от сокра-
щения длительности разработки аппаратуры с МПК; Км— затра-
ты на разработку математического обеспечения; ^м^0в случае
замены микропроцессором с программируемым «поведением»
жесткой аппаратной логики управления.

Внедрение МПК ИС одного типа в аппаратуру различных
поколений сводит к минимуму К„, так как с появлением каждого
нового типа аппаратуры нарабатывается математическое
обеспечение, затраты на освоение и эксплуатацию кросс-
системы программирования уменьшаются и т. д.

Экономический эффект от внедрения МП в аппаратуру
определяется в основном ее удешевлением по сравнению с
прототипом:

Кэ1=ЛС -|-ЛСа=(С| — СгЛ-ЛСа,

где △ С—снижение стоимости аппаратуры вследствие умень-
шения числа ИС; Ci — стоимость ИС, на которых была построе-
на жесткая логика аппарата; Сг — стоимость ИС, в том числе
МПК ИС, на которых строится аппаратура нового поколения;
△Са— уменьшение стоимости аппаратуры за счет уменьшения
стоимости других комплектующих изделий (печатных плат,
резисторов, конденсаторов, соединительных элементов и т. д.)
и работ по монтажу и сборке.

Экономический эффект от эксплуатации аппаратуры со
встроенным МП определяется ее Повышенной надежностью,
простотой обслуживания и ремонта, наличием тестового конт-
роля, позволяющего локализовать отказы, и т. д.:

/(,2 = АСэа АСэр ~Г ДСЭ„,

где ДСэа — экономия собственно амортизационных отчислений;
△Сэр — экономия затрат на текущий ремонт аппаратуры; ДСэп —
экономия затрат от сокращения простоев аппаратуры благодаря
повышению ее надежности.

Примечание. По приведенным в литературе данным, интенсив-
ность отказов широко распространенного МП фирмы «Intel» 18080 составляет
Р,04% на 1000 ч работы.

Экономический эффект от сокращения сроков разработки ап-
паратуры с использованием МП достигается благодаря возмож-
ности проектировать аппаратуру программными средствами
с использованием вычислительной техники. Изменение «По
ведения» МП в аппаратуре осуществляется заменой программ'
хранящихся в постоянной памяти. При этом не требуется
переработка конструкторской документации. По оценкам спе-
циалистов, применение МП позволяет сократить время р^
работки аппаратуры в 2 раза, а трудоемкость разработки-
в 3—4 раза.

§ 4.2

РАЗМЕЩЕНИЕ МИКРОСХЕМ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ

От правильного расположения корпусов микросхем на пе-
чатных платах элементов первого уровня конструктивной иерар-
хии—ячейках, модулях, ТЭЗ (см. рис. 3.1—3.6) —зависят такие
параметры ЭВМ, как габариты, масса, надежность работы
помехоустойчивость. Чем плотнее будут располагаться корпуса
микросхем (или бескорпусные микросхемы) на плоскости пе-
чатных плат, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем
более жестким будет температурный режим их работы, тем
больший уровень помех будет наводиться в сигнальных свя-
зях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхе-
мами, тем менее эффективно используется физический объем
машины, тем больше длина связей. Поэтому при установке
микросхем на печатные платы следует учитывать все послед-
ствия выбора того или иного варианта их размещения.

Выбор шага установки микросхем на печатной плате опре-
деляется требуемой плотностью компоновки микросхем в ап-
паратуре, температурным режимом работы, методом разработки
топологии печатных плат (ручной, машинный), сложностью
принципиальной электрической схемы и конструктивными па-
раметрами корпуса микросхемы. Вне зависимости от типа
корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать
кратным 2,5 мм. При этом зазоры между корпусами не долж-
ны быть меньше 1,5 мм. В технически обоснованных слу-
чаях шаг установки микросхем может быть принят кратным
1,25 мм.

Микросхемы на печатных платах располагают линейно-мно-
горядно, однако допускается их размещение в шахматном
порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет
автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей
эффективностью использовать полезную площадь печатной
платы и прямоугольную систему координат для определения
места расположения корпусов.

Корпуса микросхем со штыревыми выводами устанавливают
только с одной стороны печатной платы. С двух сторон
печатной платы разрешается монтировать микросхемы только
в корпусах с планарными выводами. Это объясняется тем,
Ю монтаж штыревых выводов, как правило, производят в
\возные металлизированные отверстия, причем концы выводов
Уступают на обратной стороне платы. Плоские планарные
выводы можно припаивать к металлизированным контактным
пдошадкам с обеих внешних сторон печатной платы.

Корпуса микросхем на плате удерживается припаянными
выводами. Штыревые выводы удерживают корпус микросхемы
достаточно прочно и выдерживают практически любые меха-
нические воздействия. Планарные выводы удерживают корпус
микросхемы только за счет сил адгезии металлизированных
контактных площадок с материалом платы. Так как эти силы
сравнительно небольшие, а масса корпуса может оказаться
существенной при больших перегрузках, то для устройств,
подверженных повышенному воздействию ударов и вибрации,
необходимо предусматривать дополнительные меры крепления
корпусов с планарными выводами.

Перед установкой корпусов микросхем на печатную плату
производят предварительную подготовку выводов (подрезку,
формовку).

Микросхемы в корпусах типов 1 и 2, «Тропа», «Посол»,
«Трапеция», «Вага 1Б» (см. рис. 3.8, 3.9, 3.23—3.26) устанав-
ливают на печатные платы без формовки выводов с предва-
рительной их подрезкой:

Толщина печатной платы, мм . . 1,0	1,5	2,0

Длина вывода после подрезки,
мм........................ 3,4	3,9 4,4

Установку микросхем в корпусах со штыревыми выводами

на печатную плату производят с зазором или с прокладкой.

Величину зазора рекомендует-
ся выбирать в пределах 1—
2 мм. В технически обосно-

ванных случаях можно при-
менять изоляционные про-
кладки, предварительно при-
клеивая их к поверхности
печатной платы.

На рис. 4.3 показана уста-
новка микросхем 1 в корпу-
сах типа «Посол» на плате 2.
Шаг установки как по одной,
так и по другой координате
мм. Монтаж производят
зазором 1—2 мм. Величина
^ступающей части вывода с
'’Ратной стороны платы
д°лжна быть 0,5—1,5 мм.

Рис. 4.3. Схема установки на печатную
плату микросхем в корпусах типа
«Посол»
Рис. 4.4. Схема установки на печатную плату
микросхем в корпусах типа 201.14-1

На рис. 4.4 дана ус
тановка микросхем в коп"
пусе типа 201.14-1. Ццг'
установки по узкой сто-
роне корпуса 10 мм, по
широкой стороне — 25 мм
Монтаж производят с за^
зором 1 мм.

Микросхемы в корпу.
сах типа 3 с восемью
и двенадцатью выводами
устанавливают на печат-

ную плату с предвари-
тельной , формовкой и
подрезкой выводов. Фор-

мовка выводов должна производиться в соответствии с чер-
тежами, представленными на рис. 4.5. Варианты формовки,
изображенные на рис. 4.5, а, в, используют для обеспечения

Рис. 4.5. Формовка выводов корпусов типа 3 перед уста-
новкой их на печатную плату
высокой плотности компоновки микросхем на печатной плате,
® варианты, представленные на рис. 4.5, б, г, — в случаях повы-
шенной плотности печатного монтажа.. Формовка выводов
должна осуществляться в специальном приспособлении, а их
Подрезка—в зависимости от толщины печатной платы:

Толщина печатной платы, мм . . 1,0	1,5	2,0

Длина вывода после подрезки,

мм.............................. 5,4	5,9	6,4

Установку микросхем в. корпусах типа 3 можно произво-
дить с зазором или прокладкой, предварительно наклеиваемой
на печатную плату в месте установки микросхем. На рис. 4.6
показана установка микросхем в корпусе типа 3 с зазором
(рис. 4.6, а) и с прокладкой (рис. 4.6,6) с шагом установки
по обеим координатам 12,5 мм. Для устройств, подверженных
повышенному воздействию механических нагрузок, а также в
других технически обоснованных случаях можно устанавливать
микросхемы в корпусе типа 3 так, как представлено на рис. 4.7.
В этом случае корпус микросхемы приклеивают к печатной
плате, а выводы впаивают в отверстия, огибая с небольшим
усилием изоляционную шайбу так, как представлено на ри-
сунке.

Микросхемы в корпусах с планарными выводами (см. рис. 3.11)
устанавливают на печатную плату после предварительной фор-

/2.5

Рис. 4.6. Пример схемы установ-
ки на печатную плату микросхем
в корпусах типа 3 с зазором (а)
и с прокладкой (б)

Рис. 4.7. Схема установки
на печатную плату микро-
схем в корпусах типа 3
в транспортируемой аппа-
ратуре
мовки выводов. Варианты формовки выводов (рис. 4.8, а) пред,
ставлены на рис. 4.8, б, в. Существует три варианта установки
корпусов микросхем в корпусах с планарными выводами На
печатные платы: без зазора (формовка по рис. 4.8, б), с за.
зором и на прокладку (формовка по рис. 4.8, в). При монтаже
без зазора корпус микросхемы устанавливают на печатную

Рис. 4.8. Формовка выводов корпуса с планарными выводами
для установки без зазора, с зазором или прокладкой

плату, выводы ориентируют относительно контактных площа-
док и припаивают. Корпус удерживается на выводах или же
его приклеивают к поверхности платы (рис. 4.9, а).

При установке микросхем с зазором корпус удерживается
на плате исключительно на припаянных выводах (рис. 4.9,6).

При установке на прокладку используют изоляционные или
металлические материалы. В качестве изоляционной прокладки
могут быть использованы полоски тонкого (до 0,3 мм) стекло-
текстолита или перфорированная пленка с окнами под выводы
микросхем. Прокладку приклеивают к поверхности печатной
платы, а на нее, в свою очередь, приклеивают корпуса микро-

Рис. 4.9. Схема установки на пе-
чатную плату корпусов микро-
схем с планарными выводами
без зазора (а), с зазором (б),
с прокладкой (в)

схем. Металлическая прокладка
выполняет двойную роль: служит
в качестве теплоотвода и экрана.
Во избежание возникновения ко-
ротких замыканий между печат-
ными проводниками на плате ме-
таллическую прокладку изолируют
от поверхности платы специальном
пленкой (рис. 4.9, в).

На рис. 4.10 представлены ва-
рианты установки микросхем в кор-
пусах с планарными выводами.
Шаг установки по узкой стороне
корпуса 17,5 мм, по широкой"
15 мм.

Преимущество микросхем в кор-
пусах со. штыревыми выводами
(тип 1, 2) — возможность автома-
тизации сборки и монтажа.
Рис. 4.10. Установка на печатную плату микросхем в корпусах с пла-
нарными выводами на полосовых прокладках (а), на прокладку с окна-
ми (б), без прокладки (в):

I — прокладка

Пластмассовые корпуса типа 2 имеют самую низкую стои-
мость из всех корпусов, выпускаемых промышленностью, что
в конечном счете также может явиться существенным пре-
имуществом. в США большинство ИС выпускают именно в
таких корпусах (корпус DIP). Однако использование микросхем
в корпусах со штыревыми выводами, монтируемыми в метал-
лизированные отверстия, приводит к потере плотности раз-
мещения компонентов, увеличению затрат на контроль и ис-
пытание готовой продукции. Демонтаж микросхем с плат
требует применения специальных приспособлений и связан
с риском повреждения как самих микросхем, так и печатной
платы. Стоимость печатной платы с увеличением числа ме-
таллизированных отверстий возрастает, а прочность — умень-
шается.

Микросхемы в корпусах с планарными выводами (тип 4)
размещаются с обеих сторон платы и не требуют металли-
зированных отверстий. В результате стоимость печатной платы
Уменьшается, а плотность размещения элементов увеличивается.
Недостаток таких корпусов — относительно большая стоимость
и необходимость в последовательной пайке выводов, затруд-
няющей применение групповых, автоматизированных методов
монтажа.

Примечание. Фирма «Datatron Inc»
качестве оптимального решения предпо-
чла корпуса DIP монтировать на плату
ак, как представлено на рис. 4.11. Выводы
‘Янусов отгибают на 90° и подпаивают
контактным площадкам. Обратную сто-
с ау Платы ПРИ .этом используют для трас-
Р°вки печатных проводников или для
ть,НТажа микросхем. Дополнительные затра-

На монтаж микросхем при использо-

Рис. 4.11. Схема установки на
печатную плату микросхем в
корпусе с подпайкой выводов
к контактным площадкам
вании такого метода компенсируются за счет уменьшения количества
чатных плат и их упрощения. По мнению фирмы, общие затраты на пЛ
работку могут быть снижены на 30%.	раз'

§ 4.3

КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАМЕНЫ

Типовой элемент замены (ТЭЗ) — конструктивно законченный
элемент машины, служащий для электрического объединения
ИС и радиокомпонентов, самостоятельный по технологии из-
готовления и взаимозаменяемый без подгонки и дополнитель-
ной настройки с однотипными ТЭЗ машины. Конструктивная
законченность и идентичность технологии изготовления вне
зависимости от функционального состава и назначения того
или иного типа ТЭЗ одной машины предопределяют общие
для этих ТЭЗ конструктивные особенности и общие правила
их конструирования.

К ТЭЗ стационарных ЭВМ относят —ячейку и модуль-
элементы первого уровня конструктивной иерархии (см.
рис. 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4). Рассмотрим общие правила их кон-
струирования.

Размеры печатных плат. Основные размеры (ПП — высота Н
и ширина В — выбираются из печатных плат зоны размеров,
приведенной на рис. 4.12. Количество возможных значений
размеров Н и В и сочетаний их очень велико. До 100 мм

Рис. 4.12. Зоны размеров печатных плат
м0жно применять любые размеры,
коатные 2,5 мм, до 350 мм —
кратные 5,0 мм и свыше 350 мм —
кратные 10 мм. Однако наиболь-
ший размер должен быть не бо-
рее 470 мм в любом направлении.
Кроме того, устанавливается ограни-
чение на отношение сторон, оно
должно быть не более 1 :4.

Основные размеры печатных
плат для ЭВМ рекомендуется вы-
бирать из зоны размеров (рис. 4.13),
составленной по документам 48Д
МЭК в развитие международного
стандарта DIN 41494, ч. 2.

Стандарт DIN 41494, ч. 2 «Пла-
ты печатные» устанавливает типо-
размеры так называемых Европлат
(Eurocard):

4-7

В, мм .	. 100	160

Н, мм .	100;	144,5;	100;

188,9	233,4	188,9

Н, мм

5oo,o(izu)

455,6 (118).
411,2(108)

366,1(3 и)
322,3(68)
211,8(18)
233,4(68)
188,9(58)
144,5(48)
100,0(38)

55,5(28)

0

Рис. 4.13. Размеры печатных
плат, рекомендуемые МЭК
(U —единый размерный мо-
дуль, равный 1,75" или
44,45 мм)

220

164,5;	100; 145;

233,4	188,9 233,4

Исходным типоразмером принят НХВ = 100X100 мм. Высота
100 мм соответствует высоте передней панели блока или
комплектного корпуса -132,5 мм, причем разность 132,5 — 100 =
=32,5=2X16,25 мм предназначена для размещения направляю-
щих и средств крепления ПП в корпусе. Далее шаг наращи-
вания высоты ПП ограничивается шагом передних панелей по
стандарту 297 МЭК —44,45 мм. Ширина ПП (глубина по DIN
41494, ч. 2) имеет шаг наращивания 60 мм. Предпочтитель-
ными типоразмерами, рекомендуемыми в качестве Европлат,
считаются 100X160 мм (тип С) и 233,4X160 мм (тип F).

В последние годы широкое распространение получают ти-
поразмеры Европлат 100X160 и 233,4X160 мм.

Развитие типоразмеров ПП в основном происходит за счет
изменения размера В, что позволяет применять их в одном
типоразмере — блока или комплектного корпуса. Например,
Модификации типоразмеров ПП с большей площадью, чем
пазовый типоразмер фирмы «Intel Corp.», достигается увели-
чением размера В на 45 и 100 мм: 305X 171 мм — 5=521 см2;
7/5X216 мм —5=659 см2;305Х271 мм-5=837 см2;305 Х381 мм-
$—1162 см2.

- Следует отметить, что базовый типоразмер 305 X171 мм
Дизок к типоразмеру 322,25X 160 мм (5=515 см2) по проекту
МС 48Д МЭК, 1980 г. Очевидно, что для обоих типоразмеров
ПП в случае компоновки в вертикальном положении в блоке
или комплектном корпусе потребуется одинаковый его типо-
размер Я=354,85 мм.

Типоразмеры ПП фирмы «DEC» распределены на три груп.
пы: в первых двух постоянна высота (127 и 254 мм), а в
третьей группе постоянна ширина (215 мм). В каждой из этих
групп применяются соответственно другие размеры В или В

Таким образом, используется несколько рядов типоразмеров
ПП, обусловливающих широкое их применение. Можно отме-
тить ряд типоразмеров (модели ЭВМ LSI-11/3), кратных ис-
ходному; одинарный—127X215 мм (5=373 см2); двойной-
254X215 мм (5=546 см2); тройной —381X 215 мм (5=819 см2).

Другой ряд типоразмеров (модели ЭВМ LST-11/34) продол-
жает предыдущий, но с другим шагом: одинарный —381,X 215 мм
(5=819 см2); двойной —568 X215 мм (5=1217 см2); тройной-
854X215 мм (5=1830 см2).

В общем случае типоразмеры ПП выбираются исходя из
требований двух направлений —функционального и технологи-

ческого.

Требования функционального направления в конструктивном
плане выражаются плотностью компоновки (Мс/см2), зависящей
от размеров и количества корпусов микросхем и вида мон-
тажа активных и пассивных связей (цепей) электрической

схемы.

Требования технологического направления определяют огра-
ничения типоразмеров с точки зрения технологических воз-
можностей и эффективности производства заготовок, разрешаю-
щей способности фотолитографии, механической прочности,
возможностей систем автоматизированного проектирования.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, основные раз-
меры ПП для современных и перспективных ЭВМ следует
выбирать из двух рядов рекомендуемых МЭК типоразмеров,
кратных размерным модулям 55,5 и 100 (табл. 4.2), причем
для одного семейства ЭВМ целесообразно выбирать типораз-

меры одного ряда.

Однако для конкретных типов (или семейств) ЭВМ возможно
использование отличающихся размеров. Так, в технике ЕС
ЭВМ применяется единый размер печатной платы для типовых
элементов замены: 150X140 мм.

Ячейка. Основа ячейки —прямоугольная печатная плата(содНО'
или двусторонним печатным монтажом или многослойная),
на поле которой (с одной или двух сторон) крепят все не-
обходимые детали — микросхемы, разъемы, ручку, фиксаторы,

ключ, контрольные гнезда и др.

Поле печатной платы можно разделить на два участк •
основной —для монтажа микросхем, вспомогательный — для мон
Таблица 4.2

Модуль 55,5 (2U)			Модуль 100 (3U)		
основные размеры, мм		площадь, см2	основные размеры, мм		площадь, см2
Н	в		н	В	
—	  55,5	100	55,5	100,0	100	100,0
	160	88,8		160	160,0
-———  144,5	100	144,5		220	220,0
	160	231,1	233,4	160	3 7 7,4
	220	317,9		220  280	513,5
322,3	160	515,7			653,5
	220	709,0	366,7	160	586,7
	280	902,0		220	806,7
				280	1026,8

тажа остальных конструктивных
элементов. Вспомогательный

участок, располагающийся по
краям вдоль контура платы, в
свою очередь делят на поду-
частки: а, б, в, и 62 (рис. 4.14).
Основной участок условно делят
на зоны, в каждой из которых
находится посадочное место под
°Дну микросхему. Координаты
зоны задают числами, а также
оуквами русского или латинско-
го алфавита. Таким образом,
положение каждой микросхемы
а плате строго закоординиро-
3дН°- Числа и буквы координат
н, как правило, вытравливают
ЧатПЛате вместе с рисунком пе-
КоТног9 монтажа или наносят
Раской. Размеры зоны опреде-

6/

5

D Е F &

1д^
। ।

+—+—I

Рис. 4.14. Схема разбиения поля
ячейки на участки и зоны
ляются шагом расположения микросхем по обеим координа-
там (tx и ty). Таким образом, максимальное число микросхем
монтируемых на плату ячейки, может быть определено по
формуле

Мпах = [	- 1а-1б)/ ‘у] • [(Z-X-2/J//J,

где Lx и Ly—линейные размеры (габаритные размеры) платы-
1а, 1б, /е—размеры вспомогательных подучастков.

Вспомогательный подучасток а (рис. 4.14) предназначен для
размещения на нем разъема. Размер /« определяется посадоч-
ным местом разъема 1Р и должен быть не менее (/^ + 2,5) мм.
Напрймер, для разъема ГРПМЗ размер 1а следует брать рав-
ным 15 мм, для разъема ГРПМ1—20 мм (61 контакт), 22,5 мм
(90 контактов), 27,5 мм (122 контакта). Для объемного жгута
/а = 35,0 мм, тканого кабеля /а = 25,0 мм, гибкого печатного
кабеля-/а = 22,5 мм.

Вспомогательный подучасток б предназначен для размещения
на нем контрольных гнезд, ручек, съемников и т. д. Уста-
новка того или иного конструктивного элемента на подучаст-
ке б должна быть технически обоснована. Размер подучастка б
определяется типом и числом размещаемых элементов и не
должен превышать 10 мм.

На вспомогательных подучастках в, и в2 размещаются мар-
кировка ячейки, штампы ОТК и заказчика, вспомогательные
надписи и т. д. Размер этих подучастков не должен быть
меньше 2,5 мм и больше 10 мм.

Толщина платы с одно- или двусторонним печатным мон-
тажом должна быть 0,5—2 мм. При использовании многослой-
ных печатных плат толщина платы определяется числом слоев,
методом изготовления и толщиной исходных материалов. Для
увеличения жесткости платы иногда необходимо вводить до-
полнительные слои изоляции.

При выборе числа слоев печатной платы ячейки надо учи-
тывать не только число микросхем и связей между ними,
но и требуемое быстродействие. Рассмотрим, как влияет этот
параметр на структуру многослойной печатной платы, на при-
мере ячеек, разрабатываемых фирмой «Digital Communications
Corp.» для вычислительных машин.

При тактовых частотах до 100 МГц используют обычные
двусторонние печатные платы, имеющие сквозные металли-
зированные отверстия для коммутации печатного монтажа обоих
слоев. С целью увеличения помехоустойчивости микросхем,
смонтированных на такой плате, все сигнальные проводники
располагают с одной стороны платы, а с другой стороны"
шины подвода питания: шину «земля» размещают так,- чтобы
она покрывала все свободные участки поверхности платы.

При тактовых частотах до 200 МГц плату выполняют
четырехслойной, располагая слой так, как представлено на
рцс. 4.15. Микросхемы устанавливаются над шиной «земля»
иЛи прямо на нее. В последнем случае улучшается тепло-
отвод. Такая конструкция печатной платы ячейки позволяет
осуществлять соединения между микросхемами с помощью
полосковых линий. Асимметрия центральных проводящих линий
приводит к незначительным изменениям их волнового сопро-
тивления. Перекрестные помехи между двумя соседними ли-
ниями одной платы не превышают 5%.

При тактовых частотах до 1000 МГц платы для ячеек
изготовляют восьмислойными из керамики на основе оксида
алюминия, располагая слои так, как показано на рис. 4.16.
Использование керамики дает возможность достаточно хорошо
отводить теплоту от бескорпусных микросхем, закрепленных
на такой плате.

Рис. 4.16. Сечение много-
слойной печатной платы
ячейки для тактовых частот
до 1 ГГц:

Рис. 4.15. Сечение много-
слойной печатной платы
ячейки для тактовых частот
до 200 МГц:

У —ИС; 2 — слой «земли»; 3 —
слой сигнальных проводников;
4 — слой питания

1 — бескорпусная ИС; 2 — слои
сигнальных проводников; 3 —
слой питания; 4 — слой «земли»

В ЕС ЭВМ применяют ячейки
с двусторонними и многослойными
печатными платами. В многослойных
(до 10 слоев) платах 6—7 слоев слу-
жат для разводки сигнальных свя-
зей и 3—4 слоя —для шин «земля»
и «питание». Слои плат с провод-
никами «земля» и «питание» выпол-
няют «сетчатыми» (рис. 4.17). В тех
ячейках сетки, где необходимо рас-
положить металлизированные отверс-
тия для электрической связи этого
слоя с другими, металл не вытрав-
ливается и образуется связанная с
сеткой проводников контактная пло-
щадка 1. Соединения между слоя-
ми, электрически не связанными со

Рис. 4.17. «Сетчатая» струк-
тура слоев питания и «зем-
ли» многослойной печатной
платы ячейки
слоями «земля» и «питание», выполняют металлизированным
отверстиями, центр которых располагают в середине той или
иной ячейки сетки. В результате исключается электрическа**
связь между сеткой и сигнальными слоями. Достоинства сет*
чатых слоев платы — возможность подключения к плате в
бом месте и большая поверхность сетки (почти равная по^
верхности платы).

От числа слоев печатной платы зависит выбор количества
монтируемых на нее микросхем. Например, для соединения
25 микросхем требуется 3—4 слоя, для 50—60 микросхем-
5—6 слоев, для 450 микросхем —12 слоев. Поэтому с целью
снижения стоимости платы (ячейки) следует уменьшать число
монтируемых на нее микросхем. Однако уменьшение числа
микросхем потребует увеличения числа разъемных соединений
в машине за счет увеличения количества ячеек. По данным
фирмы «1ВМ», число выводов ячейки, приходящееся на одну
микросхему, с увеличением количества монтируемых на нее
микросхем уменьшается так, как показано ниже:

Число микросхем в ячейке . . 1	5	10	20	40 50 100 250

Число входных и выходных

выводов ячейки, приходя-
щихся на одну микросхему . 16	5	4	3,5	3	2	1 0,85

Эти данные получены путем анализа вычислительных уст-
ройств и систем, построенных на микросхемах в корпусах
с 14 выводами, и из них следует, что чем больше число
микросхем в ячейке, тем меньше число разъемных соедине-
ний, тем выше надежность. Однако чем больше микросхем
содержит ячейка, тем более она специализирована. По данным
той же фирмы, при числе микросхем более 70 практически
все ячейки в машине имеют различное схемное построение.

После определения габаритных размеров ячейки и выбора
числа слоев печатной платы необходимо приступать к разме-
щению на ней микросхем и всех вспомогательных элементов.
Разъем помещают так, как рекомендуется в технической до-
кументации.

Для контроля работоспособности ячейки во включенном
состоянии (в составе машины или в испытательном стенде)
на ней устанавливают контрольные элементы — одиночные иди
сгруппированные в колодки.

По типу подключения контрольные элементы разде-
ляют на штыревые, гнездовые и печатные.

На рис. 4.18 показаны штыревые контрольные элементы,
выполненные из одиночных контактов (рис. 4.18, а), и колодки
с контактами, запаянными в металлизированные отверстия
печатной платы (рис. 4.18, б). В первом случае контрольны6
пементы увеличивают высоту платы на 3—4 мм, во втором —
L 10-15 мм.

На рис. 4.19 приведен гнездовой контрольный элемент, за-
таиваемый в металлизированные отверстия печатной платы.

Рис. 4.19. Конструкция колодки
с гнездовыми контрольными эле-
ментами

Рис. 4.18. Размещение штыревых конт-
рольных элементов, выполненных из
одиночных контактов (а) и в виде ко-
лодки (б)

Самые простые в изготовлении — печатные контрольные эле-
менты (рис. 4.20), выполняемые в виде металлизированных
отверстий (рис. 4.20, а), пистонов, вмонтированных в отверстия
(рис. 4.20, б), или контактных площадок, вытравленных на
плате и защищенных колодкой из пресс-материала (рис. 4.20, в).

С увеличением быстродействия ЭВМ применение контроль-
ных элементов на платах ячеек нецелесообразно, так как
проводники, подключающие контрольные элементы к сигналь-
ным цепям (выходам или входам логических элементов),
обладают собственной емкостью и приводят к потере быстро-
действия.

Извлечение ячеек из панелей,
блоков машины может произво-
диться с помощью ручек или
съемников. Ручки используют там,
гДе число контактных пар в разъ-
еме относительно невелико (50—
80) и требуемое усилие расчле-
нения небольшое. При большем
числе контактных пар применяют
Рычажные съемники, облегчающие
извлечение ячейки из разъема па-
нели или блока. На рис. 4.21 при-
ВеДены конструкции ручек, выпол-
ненные непосредственно в плате
ячейки (рис. 4.21, а) или изготов-

Рис. 4.20. Конструкция печатных
контрольных элементов:

а — металлизированное отверстие;
б — пистон; в —контактные площад-
ки, защищенные колодкой
ленные автономно из пластмассы (рис. 4.21, б). Пластмассовую
ручку неподвижно закрепляют на плате ячейки; на внешнюю
ее поверхность иногда наносят маркировку. Примеры конструк.
ций рычажных съемников даны на рис. 4.22.

Необходимый элемент ячейки — ключ, предназначенный дЛя
исключения возможности неправильной установки последней
В большинстве случаев ключом ячейки служит ключ разъема
используют также и несимметрию конструкции ячейки, разно-
толщинность направляющих и т. д.

Рис. .4.21. Конструкция ручек ячеек

Рис. 4.22. Конструкция рычажных съемников метал-
лических (а) и пластмассовых (б)

С целью разгрузки печатного монтажа и уменьшения числа
слоев платы ячейки питание к микросхемам можно подводить
с помощью навесных шин. Число шин может быть равным
числу номиналов источников питания. Применяют два способа
установки таких шин — перпендикулярно и параллельно плос-
кости платы ячейки.

На рис. 4.23 схематически представлен пример установки
навесной шины питания 1, перпендикулярной плоскости платы
ячейки. Питание к ИС 2 подводится короткими печатными
проводниками, отходящими от отводов навесной шины («но-
жек»), запаянных в металлизированные отверстия платы. Шина
связана отводом с контактом разъема, к которому подводится
питание.

На рис. 4.24 схематически представлена конструкция ячейки,
в которой навесная шина питания 1 параллельна плоскости
Рис. 4.23. Пример схемы уста-
новки навесной шины пита-
ния («земли») перпендикуляр-
но плоскости платы ячейки

Рис. 4.24. Пример схемы уста-
новки навесной шины питания
(«земли») параллельно плоскости
платы ячейки

платы. Подача питания к ИС 2 осуществляется индивидуаль-
ными отводами. Для крепления шины необходимо предусмат-
ривать специальные стойки.

Рассмотрим несколько примеров конструкции ТЭЗ (ячеек).

На рис. 4.25 показана конструкция ячейки со сравнительно
малым числом смонтированных на ней микросхем (12 шт.).
Микросхемы выполнены в корпусе типа ’3 (401МС8-1), шаг
их размещения по обеим координатам 12,5 мм. Координаты
микросхем на плоскости платы устанавливают маркировкой,
наносимой краской непосредственно на корпус микросхемы,
что допустимо при небольшом числе микросхем (до 20).

70

Рис. 4.25. Конструкция ячейки с микросхемами в
корпусах типа 3
Рис. 4.26. Конструкции ячейки с навесной
шиной питания

Кроме микросхем на плате
установлены два конденса-
тора и разъем РГ-35-3. Мар'
кировку 2 ячейки наносят
в правой части печатной
платы краской или травле-
нием. Ключом служит разъ-
ем, имеющий расположение
выводов двухрядное, в шах-
матном порядке. Фиксация
ячейки в конструктивной
единице следующего вто-
рого уровня иерархии обес-

печивается силами трения
в контактных парах разъемного соединения. Два отверстия
в верхней части платы служат для извлечения ячейки из
блока с помощью специального захвата. В левом верхнем
углу ставится штамп ОТК 1. Достоинства такого типа ячеек-
простота конструкции, удобство в обслуживании, экономичность
(низкая стоимость за счет небольшого числа микросхем и
унификации рисунка печатной платы). Недостаток —большое
количество внешних соединений (три вывода на микросхему),
что предопределяет использование ее в малых ЭВМ.

нанесена

OQOOODO СОООСОРОС

Рис. 4.27. Конструкция ячейки с

(7 аосоароооарррррр



На рис. 4.26 показана конструкция ячейки, в которой микро-
схемы в корпусах типа 3 смонтированы так, как представлено
на рис. 4.7. Количество микросхем может доходить до 26,
кроме них на плате ячейки установлены два конденсатора,
вилка разъема РГ-35-3 и ручка; число выводов на одну микро-
схему в этой ячейке около
внешней поверхности ручки.
Ключом служит ключ разъе-
ма, а также выступ с одной
стороны ручки. Фиксацию
ячейки в блоке производят
разъемом и боковыми сторо-
нами платы ячейки, которые
в блоке (или панели) встав-
ляют в направляющие. Осо-
бенность конструкции ячей-
ки — использование навесной
шины питания 7, которая по-
зволяет разгрузить печатный
монтаж, уменьшая число сло-
ев. Таких шин может быть
установлено несколько (по
числу источников питающих
напряжений).	рольными гнездами

13

КОНТ'
Конструкция ячейки, представленная на рис. 4.27, может
пужить примером применения контрольных элементов. По-
ттедние ВЬ1П0лненьг в виде печатных панелей, прикрытых
пластмассовой колодкой, на внешней поверхности которой
азмещается маркировка 1. Колодку можно использовать и
как ручку ячейки. На плате ячейки размещены 48 микросхем
корпусах типа «Посол», блокировочные конденсаторы и вилка
гиперболоидного разъема ГРПМ1. Ключом ячейки служит ключ
разъема. Фиксацию ячейки в панели (блоке) осуществляют
разъемом и боковыми сторонами платы ячейки, вставляемыми
в направляющие панели (блока).

На плате ячейки могут размещаться микросхемы в раз-
личных корпусах. Пример конструкции такой ячейки размером
366,7X220 мм приведен на рис. 4.28. Обозначение размещен-
ных на плате элементов, типы корпусов и мощность потреб-
ления активных элементов приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

№ пози- ции на рис. 4.28	Обозначение элемента	Тип корпуса	Число элемен- тов, шт.	Мощность потреб- ления, В  А	
				на один элемент	всего
3	КМ555 ТЛ2	201.14-1	5	0,050	0,250
4	Оптопара диодная	—	15	0,020	0,300
5	ИС опытная	—	5	0,060	0,300
6	К155 ЛН1	201.14-88	1	0,050	0,050
7	К1801 ВШ-15	429.42-1	11	0,600	6,600
8	КМ155 АГЗ	201.14-8	3	0,220	0,600
9	К155 ТМ2	238.16-1	1	0,200	0,200
10  11	К555 ЛИ6  Оптопара транзистор-	201.14-8 .	2	0,050	0,100
	ная	—	21	0,020	0,420
12	К555 СШ	201.14-88	4	0,050	0,200
13	К155 ЛП5	201.14-1	1	0,250	0,250
14	К155 ЛА5	201.14-1	1	0,250	0,250
	К155 ЛАЗ	201.14-1	1	1,125	1,125
15	К555 ЛН1	201.14-8	3	0,050	0,150
10	К559 ИП2П	238.16-2	2	0,200	0,400
1/	К155 АГЗ	201.14-1	 3	0,500	1,500
18	К531 АП2П  Стабилитроны:	201.14-1	6	0,500	3,000
	КС456А	—	1	0,010	0,010
19	КС191Ф Транзисторы:	—	2	0,010	0,020
	КТ503Б	—	2	0,020	0,040
20	КТ315А	—	3	0,020	0,060
21	К551 УД1А	301.8-2	8	0,020	0,160
	К572 ПА2А	201.16-8  S 'Ю4	3	0,100 S-i	0,300 6,285

Чзо
Рис. 4.28. Схема компоновки платы микро-ЭВМ с микросхемами в различны*
типах корпусов:

/ — пассивные элементы; 318 шт., в т. ч. резисторы типа МЛТ-0,125 — 211
МЛТ-1 — 2 шт.; С2-36 — 1 шт.; СПЗ-39 — 10 шт.; конденсаторы типа: КМ5а —91 111"
К53-14- 13 шт.; 2 - соединитель СНП 59-64/94 X 11В-23-1-В, 4 шт.; 3-2] - активн^
элементы — 104 корпуса (см. табл. 4.3); 22 — печатная плата с деталями, обесп
вающими плоскостность й жесткость платы, удобство сочленения и расчленения пл

в блоке
Для устройств, подверженных повышенному воздействию
ибрации и Ударов, необходимо предусматривать меры, ис-
ключающие выпадение ячеек из разъема во время работы,
иаПРимеР введение дополнительных точек крепления. Конст-
рукция ячейки с дополнительными точками крепления к на-
правляющим приведена на рис. 4.29. На ручке размещается
маркировка Д а на ее концах, выступающих за пределы платы
ячейки, — отверстия, через которые винтами ячейку прикреп-
ляют к направляющим 1. На плате ячейки размещают 12
микросхем, два блокировочных конденсатора и вилку гипер-
болоидного разъема ГРППЗ-58Ш. Ключом ячейки служит ключ
разъема: 14 пар контактов одной половины и 15—другой.

200

Рис. 4.29. Конструкция ячейки с дополнительными точками

крепления

Конструкция ячейки, представленная на рис. 4.30, имеет
габаритные размеры 240 X 360 мм, микросхемы в корпусах

типа 4 смонтированы по обе стороны платы. Число микро-
схем—156 (по 78 с каждой стороны платы), они установлены
на теплопроводящую прокладку, служащую одновременно и
Щиной «земли». Особенность ячейки—использование двух
Розеток (а не вилок, как в предыдущих примерах) гипербо-
лоидного разъема ГРППМ7. Число устанавливаемых на плату
ячейки разъемов определяется необходимым числом внешних
связей (выводов). Фиксация ячейки производится разъемами
в боковыми сторонами печатной платы, извлечение ячейки
3 панели (шкафа) происходит с помощью двух съемников.

Модуль. Конструирование модулей производится в основном
° тем же правилам, что и ячеек. Так же как у ячеек, в
висимости от предъявляемых требований плата модуля может
1Ть с одно-, двух- или многослойным печатным монтажом.


Рис. 4.30. Конструкция ячейки с тепло-
отводами

Поле платы делится на о
новной и вспомогательны^
(рис. 4.31) участки. На Ос
новном участке располага
ют зоны, координаты кото
рых задаются буквеннп
цифровыми обозначениями
или порядковыми номерами
(например, 1, 2, 3 и т. д)
В каждой зоне размещают
одну микросхему. Вспомо-
гательный участок, находя-
щийся по краям платы мо-
дуля, делят на четыре (по
два одинаковых) подучастка
На двух подучастках (а, и
а2) вдоль длинных сторон
платы модуля размещают
элементы электрического
контактирования, на двух
других (6) — маркировку и
другие вспомогательные
элементы. Размер 1а вспо-
могательных подучастков
ах и а2 следует выбирать
равным 5; 7,5 или 10 мм.
Размер 1б подучастков б не

должен быть меньше 2,5 мм. Габаритный размер Ly должен
оставаться постоянным для плат всех типов модулей, при-
меняемых в разрабатываемой машине. Размер Lx различен
для разных типов модулей и определяется выражением

Гх, = (М/п)/х + 2/б,

где Ni — число корпусов микросхем, монтируемых на /-й тип
модуля; и —принятая для данной системы модулей рядность
расположения корпусов; /х —шаг размещения корпусов микро-

схем по координате х.

Электрическое объеди-___

нение модулей с субблоком “

производят с помощью ме-
таллических штыревых вы-
водов, находящихся на пла-
те модуля или на плате
субблока. Штыревые выво- _
ды вставляют в отверстия

1б

а2

-U- 7 I 8 I 9 I 10 I 11 \ 12-

(чаще металлизированные) рис 4 31 Схема разбиения поля

ответной платы и запаива-

на участки и зоны

МоДУлЯ

	

1$
’ т в них. Допускается применение соединений накруткой.
и установке штыревых выводов на плату модуля их следует
асполагать в местах, задействованных по схеме. Кроме того,
рязательно должны быть предусмотрены крайние угловые
°1тыРевые выводы вне зависимости от того, задействованы
или не задействованы они по схеме. При размещении шты-
певЫХ выводов на плате субблока на плате модуля выпол-
няют все установочные отверстия вне зависимости от того,
задействованы или не задействованы они по схеме. Отверстия
располагают на вспомогательных подучастках ai и ж с по-
стоянным шагом. В технически обоснованных случаях возможно
размещение штыревых выводов как на плате субблока, так
и на плате модуля. При этом электрические соединения меж-
ду модулем и субблоком выполняют перепайкой штырей или

накруткой на них оголенного проводника.

На рис. 4.32 представлены некоторые варианты электри-
ческого соединения модуля и субблока. Плата модуля 1 вы-
полнена с металлизированными отверстиями (рис. 4.32, а, б)
или со штыревыми выводами 3 (рис. 4.32, в— д). Выводы суб-
блока 2, вмонтированные в основание субблока (на рис. 4.32

не показаны), помещают в металлизированные отверстия платы
модуля и запаивают в них (рис. 4.32, а) или соединяют на-
круткой проводника, запаянного в отверстие (рис. 4.32, б). На
рис. 4.32, в показан вариант установки на плату модуля шты-
ревых выводов, выполненных в виде прессованной колодки.

Рис. 4.32. Варианты электрического соединения модуля с суб-
блоком

Рис. 4.33. Конструкция модуля со штыревыми выводами под
накрутку
Соединение штыревых выводов модуля и субблока их пеп
пайкой или накруткой (бандажированием) представлено соот
ветственно на рис. 4.32, г, д. При необходимости на модул'
устанавливают другие детали, например электростатически6
экраны, навесные шины питания, ограничители, предназначен6
ные для одинаковой установки модулей на плате кассеты по
высоте и предотвращения повреждения микросхем при транс
портировке модуля.

На плате модуля, приведенного на рис. 4.33, находятся
10 микросхем в корпусе «Посол», три конденсатора, навесная

70

1

Рис. 4.34. Конструкция модуля с контактными от-
верстиями для подпайки штыревых выводов суб-
блока

шина питания и две колодки с выводами, расположенные
вдоль длинных сторон платы модуля, и размещается марки-
ровка 1. Выводы запаяны в плату, возле каждого вывода
имеется отверстие такого диаметра, чтобы в него свободно
вошел штыревой вывод субблока.

В модуле, представленном на рис. 4.34, соединение с вы-
водами субблока осуществляют их запайкой в металлизирован-
ные отверстия, расположенные вдоль длинных сторон платы
модуля, на которой размещается маркировка 1. Особенность
данного типа модуля —двустороннее расположение микросхем
в корпусах типа 4 и применение цилиндрических ограничи-
телей 2.	1

§ 4.4

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УРОВНЕЙ

II И III КОНСТРУКТИВНОЙ ИЕРАРХИИ ЭВМ И СИСТЕМ

К элементам уровней I и III конструктивной иерархий
относятся панели, блоки, субблоки, шкафы, стойки. К ним
можно отнести также тумбы, столы, корпуса частичные, коМП"
ектные, комплексные и другие виды конструктивных элемен-
те характерные для тех или иных конструкционных систем
гл. 3). Все они должны обеспечивать: требуемую меха-
цческую жесткость и прочность; удобство в сборке, наладке
** эксплуатации; оперативную замену вышедших из строя кон-
структивных элементов; минимальный вес при сохранении тре-
буемой жесткости; надежное закрепление конструктивных эле-
ментов; максимальное использование унифицированных деталей
й их взаимозаменяемость.

При разработке конструкции блоков, субблоков, панелей,
сТОек, шкафов и т. д. следует использовать такие конструк-

ционные материалы и покрытия, которые отвечают предъявляе-
мым требованиям по условиям эксплуатации.

Каждый из элементов конструктивной иерархии уровней II
и Ш характеризуется длиной L, высотой Н и глубиной (ши-
риной) В. В зависимости от назначения того или иного типа
ЭВМ соотношение размеров определенных ее конструктивных
частей может быть различным. Однако эти соотношения должны

подчиняться определенным правилам и закономерностям, ко-
торые устанавливают соответствующие стандарты, распростра-
няющиеся на определенный класс аппаратуры.

В конструкционных системах любого типа электронной
вычислительной аппаратуры основные размеры L, Н, В базо-
вых конструкций для всех уровней устанавливаются соответ-
ствующими единому модулю.

В каждом направлении развития размеров по координатам
x(L), у(Н), z(B) указанный модуль равен 2,5 мм. Он уста-
навливается в соответствии с шагом координатной сетки пе-
чатных плат и выводов элементов на печатной плате и пе-
редней панели по x(L), шагом выводов элементов и соедини-
телей на функциональной печатной плате и на кроссплате
по у(Н) и z(B). В необходимых случаях применяются значения
модуля, кратные основному, —1,25; 0,625 мм.

Единый размерный' модуль обеспечивает компоновку раз-
личных изделий конструкционной системы ЭВМ как в про-
странстве, например в трех различных плоскостях комплект-
лого корпуса или блока, так и на плоскости —на поверхности
одноплатной ЭВМ.

Для каждого уровня базовых конструкций устанавливаются
Ряды размеров по L, Н, В, каждый из которых взаимосвязан
с Рядами размеров других уровней с целью обеспечения
прежде всего конструктивной совместимости, обусловливающей
Другие виды совместимости —электрические, эстетические,
епловые. Эти ряды размеров — простые арифметические. Каж-
!1< Последующий член ряда образуется приращением к пре-
дыдущему принятого значения модуля.

Основные размеры в общей структуре задаются отдельными
рядами L, Н, В. Для конкретного проектирования базовь
конструкций из отдельных членов рядов составляются oiitLX
мальные типоразмеры, среди которых выделяются предпочти
тельные. Главным исходным требованием при выборе типо
размера является плотность компоновки, определяемая отно
шением числа активных элементов —корпусов ИС к площади
(объему) изделия. Типоразмеры являются рабочим средством
достижения сквозной совместимости изделий системы. ца.
пример, типоразмеры плат образовываются с учетом стандарт'
ной установки их в соответствующий корпус, а типоразмеры
корпусов, в свою очередь, устанавливаются с учетом осуще.
ствления взаимоприменений.

Панель. Являясь промежуточным элементом конструкции
между ячейкой и шкафом (см. рис. 3.1), панель может быть
выполнена как в виде автономного самостоятельно изготовля-
емого узла, так и в виде нераздельной части шкафа. Как
в том, так и в другом случае конструктивными частями па-
нели, как правило, являются: основание; каркас; направляющие
ячеек; ответные части разъемов ячеек; элементы коммутации
панели; элементы фиксации ячеек; элементы крепления па-
нели в шкафе.

В качестве основания используют листовой диэлектрик
(например, стеклотекстолит) или печатную плату. Толщина
основания должна быть не менее 2 мм, его габаритные раз-
меры определяются количеством ячеек и принятым шагом их
расположения. В случае применения листового нефольгиро-
ванного диэлектрика ответные части разъемов ячеек устанав-
ливают так, чтобы можно было осуществлять электрические
соединения между ними навесными проводниками.

В одно- или двусторонних печатных платах шины «питание»
и «земля» выполняют печатным способом, а сигнальные свя-
зи—навесными проводниками. В технически обоснованных
случаях в качестве основания панели допускают использова-
ние многослойной печатной платы. При этом расположение
сигнальных слоев должно отвечать предъявляемым требова-
ниям по быстродействию.

Примером панелей с печатными платами в качестве осно-
вания служат панели ЕС ЭВМ, где применяют платы с ДвУ'
сторонним и многослойным (до 10 слоев) монтажом.

Примечание. Четырехслойное печатное основание используют в
панелях «Системы 360» фирмы «1ВМ» (США). Два наружных слоя осн
вания предназначены для сигнальных проводников, а два внутренних — ДД
подвода питания и шин «земля». Слои проводников' соединяют чер
6800 сквозных, отверстий, расположенных на расстоянии 3,2 мм ДРУГ х
друга. Размеры основания 318X213 мм. На нем размещаются 66 ответа
частей разъемов ячеек и 30 колодок с коммутационными гнездами Д
внешних подключений высокочастотными многожильными кабелями.
Панель может быть выполнена без основания: ответные
тИ ячеек монтируют на каркасе, а соединения между ними
^иществляют навесными проводниками. Питание подводят по
Проводникам или шинам.

Направляющие для ТЭЗ на печатных платах в панелях,
также в блоках и корпусах различных типов могут быть
выполнены, как представлено на рис. 4.35. Капроновые на-
правляющие (рис. 4.35, а) обеспечивают надежное закрепление
пдаты по всей длине. Металлические направляющие (рис. 4.35, б)
более долговечны. Они компенсируют пружинами, выполнен-
ными отдельно или совместно с держателем, неточности из-
готовления плат. Разновидностью такого типа направляющей

Рис. 4.35. Виды направляющих для ТЭЗов на печатных платах
является упругий металлический профиль (рис. 4.35, в) со СКо
шейной выходной частью.

Выштамповывание направляющих из основания (рис. 4.35 г)
снижает массу основания и повышает его жесткость. В каче.
стве направляющих может быть использован Н-образный пр0»
филь (рис. 4.35, д), щель в котором равна толщине платы'
Использование отштампованных языков основания панели
(рис. 4.35, ё) или отдельных выступов различной формы
(рис. 4.35, эл?) длинных прорезей на отштампованном основа-
нии (рис. 4.35, з) позволяет получить дополнительные окна
для движения охлаждающего воздуха. При использовании в
качестве направляющих С-образных профилей возможно при-
менение широкой продольной (рис. 4.35, и) или узкой попе-
речной (рис. 4.35, к) пружины, позволяющей компенсировать
зазоры и смещения. Литое или фрезерованное основание
(рис. 4.35, л) с пазами может быть использовано как силовой
элемент блока (панели). Возможно также применение корыто-
образных элементов и плоских пружин (рис. 4.35, м), профи-
лированных проволочных направляющих, закрепленных с плос-
кими пружинами на растяжках , (рис. 4.35, н), легкосъемных
Н-образных направляющих, закрепляемых на проволочных бал-
ках (рис. 4.35, о), цилиндрических кнопок (рис. 4.35, л), корыто-
образных профилированных элементов (рис. 4.35,р), эластичных
направляющих (рис. 4.35, с), автономных стоек (рис. 4.35, т),
направляющих, выполненных как единое целое с ответной
частью разъема (рис. 4.35,у), и др.

На рис. 4.36 представлена конструкция панели, предназна-
ченной для электрического и механического объединения
ачеек А конструкция ко-
*пых дана на рис. 4.27.
Основа панели - метал--
„ический каркас 7, на
задней стенке которого
„вмещаются 20 розеток
разъема ГРПМ1. Ячейки
вставляют в направляю-
щие 3, выфрезерованные
в стенках каркаса, и фик-
сируют в разъеме. Пи-
тание и сигнальные свя-
зи выполняются навес-
ными проводниками, ши-
на «земля» 4 — навесная
из листового металла.

Панель закрепляют на
раме стойки (шкафа) не-
подвижно или на шарни-
рах, как это, например,
выполнено в ЭВМ CPS-30

4

Рис. 4.37. Конструкция откидной панели

фирмы «Computer Signal Prosessors» (рис. 4.37). Ячейки 1 встав-
ляют в ответные части разъемов 2, которые закреплены на
откидывающемся основании панели 3. Электрическое соеди-
нение панели с остальными узлами машины осуществляют
гибким кабелем 4.

Блок. Блок, как и панель, предназначен для электриче-
ского и механического объединения ячеек, но отличается от
нее тем, что является разъемным конструктивно законченным
узлом ЭВМ. Блочный принцип построения применяют главным
образом для небольших машин. Поэтому часто блок явля-
ется функционально законченным узлом ЭВМ, включающйм в
себя полностью одно из устройств машины. В связи с этим
в конструкции блока обязательно должны быть предусмот-
рены элементы контроля, а при необходимости и элементы
Управления работой смонтированного в блоке устройства (как
Правило, эти элементы располагают на передней панели).
Кроме того, в состав конструкции блока входят каркас, от-
ветные части разъемов ячеек, элементы коммутации (разъемы),
направляющие и устройство крепления в стойке ЭВМ. От-
Ветные части разъемов ячеек располагают с постоянным шагом
® нижней части или на одной из боковых стенок каркаса.
*ФИ необходимости в конструкцию блока вводят направляю-
щие ячеек.

На рис. 4.38 приведена конструкция блока, предназначен-
ного для объединения ячеек, общий вид которых представлен
а Рис. 4.25. Основой блока служит металлический каркас 2,
к которому прикрепляют переднюю панель 9 с ручкой 8
маркировкой 5 и колодку с контрольными гнездами 7. На
задней стенке каркаса размещают разъемы блока 3 и винт
фиксирующего устройства 4. Боковые стенки каркаса профи-
лированы под направляющие 6, в. нижней части блока нахо-
дятся ответные части разъемов 10. В блок может быть уста-
новлено до 28 ячеек 1 в два ряда. Монтаж между ячейками

Рис. 4.38. Пример
конструкции бло-
ка, соединяющего
до 24 ячеек

осуществляют распайкой проводников на штыри ответных
частей разъемов. Проводники укладывают в жгуты и распаи-
вают затем на разъемы блока. Блок устанавливают в стойке
так, чтобы микросхемы равномерно охлаждались движущимися

Рис. 4.39. Пример конструкции блока с
боковой фиксацией ячеек

потоками воздуха.

Конструкция блока, в ко-
тором ячейки вставляются
с боковой стороны, приве-
дена на рис. 4.39. Ячейки 6
устанавливают в блок по
направляющим 5 и при-
крепляют к ним двумя вин-
тами так, как это показано
на рис. 4.25. На передней
панели 2 блока находятся
колодка с контрольными
гнездами 3 и ручка 4. На
задней стенке 7 помещены
разъемы. В нижней и верх-
ней стенках каркаса блока 1
предусмотрены окна для теплообмена. Охлаждение осуществ-
дяется теплопередачей по цепи микросхема-*теплоотводящая
тина-*направляющая-*стенка блока.

Конструкция панели для монтажа ячеек двух типоразме-
ров приведена на рис. 4.40. Одна часть панели отведена под
Монтаж ячеек или блоков высотой 3U (132,5 мм) с печат-
ными платами размером 100X160 мм, а другая часть —под
ячейкой высотой 6U (265, 9 мм) с печатными платами раз-
мером 233,4 X160 мм. Общие габаритные размеры такой па-
нели 482,6 X 265,9 X 225 мм.

Субблок. Субблок, как и блок, является разъемным кон-
структивным узлом ЭВМ. Особенность субблока — плоская ком-
поновка: длина и ширина намного превышают его высоту.
Субблок предназначен для электрического и механического
объединения модулей и состоит из следующих основных

Рис. 4.40. Конструкция панели для монтажа ячеек двух типоразмеров
частей, металлической рамы, печатного основания, на котором
установлены штыревые колодки (если в модулях предусмот-
рены контактные отверстия) или отверстия (под контактные
штыри модулей), разъемов, контрольных гнезд, фиксирующего
устройства, направляющих.

Рассмотрим особенности конструкции субблока (рис. 4.41)
На металлической раме 2 закрепляют основание 3, выпол-
ненное из фольгированного диэлектрика толщиной 2,5 мм
На основании параллельными рядами располагают колодки со
штырями 7, на которых монтируют модули 4 в восемь рядов.
На основании монтируются также другие необходимые эле-
менты, например конденсаторы 5. На раме с задней стороны
прикреплены ловители 6, разъемы 7 и винтовое фиксирующее
устройство 8. На передней планке рамы установлены колодки
с контрольными гнездами 10. Боковые стороны рамы 9 ис-
пользуют как направляющие.

На рис. 4.42 представлены два варианта установки модулей
на основании субблока. В первом варианте (рис. 4.42, а) мо-
дули 7 имеют коммутационные отверстия, в которые при
монтаже продевают штыри колодки, установленной на осно-
вании 2. Вспомогательный штырь модуля соединяют со. шты-
рем колодки накруткой оголенного проводника (бандажиро-
ванием). Электрическая связь штыря с другими элементами
(штырями, контактом разъема и т. д.) осуществляется на-
круткой проводников. Во втором варианте (рис. 4.42,6) колодка
со штырями устанавливается на плате модуля 7, при монтаже
штыри продевают в отверстия основания 2, далее связь вы-
полняют накруткой проводника. В первом варианте для элект-
рического подключения модуля к основанию используют три
соединения (два — накруткой и одно — пайкой), во втором ва-
рианте—два соединения (накруткой и пайкой). Однако во вто-
ром варианте следует предусматривать дополнительное креп-
ление модуля на плате основания, в то время как в первом
варианте удержание модуля происходит за счет- выполнения
соединения накруткой.

Рис. 4.42. Варианты установки мо-
дулей на плату субблока

Рис. 4.43. Конструкция дополни-
тельного крепления навесного про-
водника

Во всех случаях сигнальные связи рекомендуется вы-
полнять навесными одиночными проводниками или би-
филярами, а шины «питание» и «земля» —печатными.
С целью увеличения жесткости и надежности соедине-

ния крайний штырь — контакт разъема для связующего про-

водника (при его длине более 40 мм)
необходимо предусматривать допол-
нительное крепление, например так,
как представлено на рис. 4.43. Здесь
проводник связи продевают сквозь
два отверстия в основании.

Применение субблочного вари-
анта компоновки ЭВМ позволяет
создать достаточно гибкую конструк-
цию, удобную в изготовлении, на-
ладке и эксплуатации. Это обеспе-
чивается большой функциональной
насыщенностью, плоскостностью
компоновки, разъемным исполне-
нием, использованием передовых тех-
нологических приемов изготовления
и Т. Д.

В эксплуатации удобны откидные
субблоки (рис. 4.44), применение ко-
торых позволяет производить на-

Рис. 4.44. Конструкция стойки
с откидными субблоками
240 Глава 4. Основы конструирования стационарных ЭВМ
стройку, находить неисправности и вести ремонт, не извлекая
субблока из стойки. Но они имеют недостаток — необходимость
отводить сравнительно много места гибким кабелям от разъ-
емов субблоков.

Комплектный корпус. Размеры комплектного корпуса опре-
деляют длиной L и высотой Н передней панели или перед-
ней части корпуса с учетом или без учета фланцев (уголь-
ников) для крепления в комплексном корпусе. Размер В уста-
навливает ширину корпуса от опорной поверхности передней
панели (или фланцев) до задней кромки корпуса, без учета
выступающих частей соединителей. Наиболее критичными
размерами для компоновки являются длина L и высота Н.

Анализ конструкций ЭВМ показывает, что чаще всего
используется полный размер Л, равный 482,6 мм.

Размер Н больше, чем размеры L и В, зависит от раз-
меров печатной платы (см. рис. 4.13) при стандартной ее
компоновке (в вертикальном положении, спереди). Однако
сравнение значений наибольших размеров Н печатных плат

и комплектных корпусов показывает, что соответствие их
наблюдается только для 2U - 6U и особенно для 3U. Срав-
нительно мало применяются размеры корпусов больше чем 6U,
хотя известны ЭВМ с размером ПП, равным 305 мм, что
ближе всего к размеру 8U (322,3 мм). Очевидно, компоновка

Рис. 4.45. Схемы построения размеров L и Н
комплексных корпусов

таких плат в корпусе
проводится в горизон-
тальном положении (на-
пример, ЭВМ «System
80/20-4» фирмы «Intel
Corp.»). Правда, в по-
следнее время наблюда-
ется тенденция распро-
странения размеров кор-
пусов высотой до 12U
и выше. Печатные платы
в таких корпусах разме-
щаются вертикально.

Размер В, значитель-
но меньше влияющий на
компоновку, отличается
еще меньшим коэффи-
циентом унификации.
Наибольшее распростра-
нение получили разме-
ры В, лежащие в пре-
делах 150—525 мм. Среди

них выделяются размеры
261, 360 и 525 мм.
Большое значение имеют присоединительные (внутренние)

размеры- L и Н проема (окна) комплектного корпуса, обус-
ловливающие возможность монтажа в него ПП стандартным
способом и надежного механического закрепления.. Построение
размера Н в пределах 1U - 12U и положения присоединитель-
Hbix (внешних) размеров для каждого значения Н дано на
рис. 4.45.

Стойка (шкаф). Стойка (шкаф) также должна быть типовым
конструктивным элементом машины вне зависимости от функ-
ционального назначения содержащихся в ней элементов, узлов
и устройств. При конструировании стойки (шкафа) необходимо
учитывать все требования к машине, сформулированные в гл. 1.
Основные конструктивные элементы шкафа: рама; боковые
стенки; дверцы с передней и задней сторон; регулируемые
по высоте опоры; механический замок с электрофиксатором;
электроблокировка; вентиляторы и система вентиляционных
отверстий; блоки питания; местный пульт управления; элементы
электрического соединения шкафов между собой.

Раму — несущий элемент конструкции — выполняют обычно из
профильной (например, уголковой) стали. Она может быть
неподвижной и подвижной (вращающейся, раздвижной). В по-
следнем случае необходим дополнительный фиксированный
каркас. На раме предусматривают детали крепления панелей
или направляющие для ячеек, блоков или субблоков (в за-
висимости от применяемого типа конструктивной иерархии).

Боковые стенки выполня-
ют, как правило, глухими из
листовой стали или алюми-
ниевых сплавов. В техниче-
ски обоснованных случаях для
улучшения доступа к элемен-
там допускаются открываю-
щиеся боковые стенки. Двер-
цы на передней и задней
сторонах шкафа предназначе-
ны для обеспечения доступа
к ячейкам, блокам, суббло-
кам машины при настройке,
Ремонте и эксплуатаций^ Бо-
ковые стенки, как и дверцы,
являются дополнительным
экраном от внешних наводок,
в связи с чем их следует
Делать металлическими. До-
пускается в блочном и суб-
Цлочном варианте конструк-
ции передние дверцы выпол-

а)	8)

Рис. 4.46. Вид спереди на шкаф (а)
и стойку (б)
242 Глава 4. Основы конструирования стационарных ЭВМ
нять прозрачными. В отличие от шкафа (рис. 4.46, а) стойка
не имеет дверец на передней панели (рис. 4.46, б), их здесь
заменяют лицевые панели блоков. Регулируемые по высоте
опоры используют для компенсации возможных неровностей
пола. Если поверхность пола, на которой устанавливают ЭВМ
гарантируется ровной и горизонтальной, то опоры можно не
предусматривать.

В конструкции шкафа обязательно должны быть преду.
смотрены механический замок для удержания дверей в за.
крытом состоянии и электрозамок для его блокировки. ДЛя
обеспечения безопасности обслуживающего персонала и сигна-
лизации положения дверей в конструкции шкафа должна быть
специальная схема электроблокировки.

Если в ЭВМ нет централизованной системы охлаждения
(вентиляции), то в конструкции каждой из стоек (шкафов)
должно быть место для вентиляторов. Обычно их устанавли-
вают в нижней части стойки и, нагнетая воздух, заставляют
его перемещаться в верхние части стойки и далее через
вентиляционные отверстия наружу. Реже вентиляторы нахо-
дятся в верхней части стойки (отсасывая воздух) или вдоль
одной из боковых стенок. Для улучшения теплообмена в ниж-
ней и верхней частях стойки предусматривают систему вен-
тиляционных отверстий, а в боковых — жалюзи. Расположение
отверстий и жалюзи должно быть строго обосновано.

Система электропитания ЭВМ может быть выполнена в
виде отдельных автономных устройств или распределена по
стойкам машины. Местный пульт управления, иногда распо-
лагаемый в отдельных стойках машины, предназначен для
автономной наладки, ремонта и обслуживания устройства,
вмонтированного в эту стойку.

Электрические стойки (шкафы) соединяют между собой
с помощью коаксиальных кабелей. Отметим некоторые основ-
ные правила конструирования стоек вне зависимости от того,
в каких условиях предполагается эксплуатировать машину:
1) общая масса аппаратуры, размещаемой в стойке, не должна
превышать 500 кг; 2) дверцы стойки не должны открываться
на угол, больший 90°; 3) все дверцы должны быть электри-
чески связаны с рамой (каркасом стойки); 4) мощность по-
требления аппаратуры, установленной в стойке, не должна
превышать 3 кВт при принудительном воздушном охлаждении
и 200 Вт при естественном охлаждении (рабочая температура
10—40°С); 5) блоки питания, устанавливаемые в стойке, масса
каждого из которых не превышает 20 кг, должны распола-
гаться в верхних горизонтальных или крайних вертикальных
рядах (рис. 4.47, а, б); 6) приборы и блоки, масса которых
превышает 20 кг, рекомендуется располагать в нижней части
стойки; 7) размер стойки в глубину не должен превышать
1 м; 8) ячейки, модули, блоки, субблоки следует располагать
так/ чтобы они равномерно обдувались движущимися потоками
воздуха.

рассмотрим адресацию конструктивных единиц, т. е. при-
своение адресов всем составляющим конструкцию машины и
электрическим соединениям.

Существует три метода адресации: 1) координатный; 2) по-
зиционный; 3) координатно-позиционный.

Координатный метод адресации применяют тогда, когда
конструктивные единицы располагаются на одной плоскости
в координатной сетке. Шаг сетки может быть постоянным или
переменным. Пример адресации координатным методом с по-
стоянным шагом сетки приведен на рис. 4.14.

,При адресации позиционным методом присвоение адресов
производится последовательно слева направо и сверху вниз.

Координатно-позиционный метод адресации заключается в
разбиении монтажного поля на зоны по координатному методу
и присвоении адресов элементам внутри каждой зоны пози-

ционным методом.

Для шкафов и стоек логических и запоминающих устройств
стационарных ЭВМ применяют два первых метода адресации
(рис. 4.48). Для субблоков шкафа с регулярным расположением
используют координатный метод адресации (рис. 4.48, б), а для
блоков стойки —позиционный метод (рис. 4.48, а). На рисунке
изображены задние стенки шкафа и стойки, вид спереди ко-
торых представлен на рис. 4.46.

Рис. 4.47. Схема размещения бло-
ков питания и функциональных
устройств в стойке ЭВМ:

1 ~~ блоки питания; 2 — функциональные
блоки

Рис. 4.48. Адресация элементов
конструкции стойки (а) и шкафа (б)
со стороны монтажа
Размеры стоек (шкафов) определяются длиной L, высотой Ц
и шириной В. Длина L стойки определяется длиной панели
(передней панели комплектного корпуса), равной размеру 19"
(482,6 мм), установленному в соответствии с МС 297 МЭК
1975 г., 22"(558,8 мм) или 25"(635 мм).

Высота стоек (шкафов) определяется условиями компоновки
определенного числа базовых панелей с размером Я=43,6 мм
располагающихся с шагом 44,45 мм. Наиболее часто исполь-
зуются корпуса шкафов, вмещающие 18, 20, 24, 27, 30, 33
36, 39, 42 и 45 панелей. Высота проема (окна) корпуса .шкафа
находится из выражения п X U— 0,85 мм. Полная высота корпуса
включает в себя опоры.

Ширина (глубина) корпусов шкафа устанавливается без учета
толщины дверей. Применяются размеры в пределах 235—850 мм.
Наиболее часто используются размеры 600 и 800 мм.

Направляющие для вставных блоков, панелей в стойках
(шкафах) выполняют таким образом, чтобы монтаж и демонтаж
блоков был максимально удобен для оператора. Учитывая
необходимость наладок отдельных блоков при работе их в
стойке, ’ широкое распространение получили телескопические
направляющие, позволяющие выдвигать блоки из стойки прак-
тически полностью, не разрывая электрических связей.

Конструкция стойки является, как правило, типовой. Чтобы
установить в стойку блоки, различные по высоте, направляю-
щие должны иметь возможность монтироваться в любом месте.

Пример конструкции такой направляющей и схема ее креп-
ления на колонке представлены на рис. 4.49. Колонка рамы 3
имеет отверстия, размещенные по высоте с постоянным шагом,

Рис. 4.49. Конструкция направляющей для бло-
ков ЭВМ
которые с помощью держателя 6, планки 7, винтов 4, 8
и гаек 2 монтируют профилированную направляющую 7. Блок
устанавливают в направляющие; его перемещения в горизон-
тальной плоскости исключают пружиной 9, . а возможность
выпадания —наладкой 5.

Стол. Рабочая зона любой ЭВМ, скомпонованной на базе
стола, определяется площадью столешницы LXB и ее поло-
жением относительно пола — Н (высотой). Эти размеры явля-
ются основными размерами стола. Размеры L и В столешницы
стола принимаются исходя из: 1) размещения на поверхности
столешницы необходимых функциональных устройств; 2) обес-
печения оптимальной рабочей зоны оператора в соответствии
с эргономическими требованиями; 3) обеспечения удобной зоны
в направлении длины для ног оператора (не меньше 550 мм)
в совокупности с подвесными тумбой или кожухом; 4) до-
стижения композиционной целостности изделия в целом.

Оптимальная высота Н столешницы стола задается в зави-
симости от вида выполняемых работ и роста оператора. Оп-
тимальными считаются высоты 720—759 мм. Однако исследования
биологов и физиологов показали, что наиболее удобной вы-
сотой рабочей поверхности является 700, 710, 720 мм. Высоты
же рабочей поверхности 680, 740, 750, 760 мм относятся к
неудобным. Высота столешницы изделий, предназначенных для
непосредственной работы оператора, в основном равна 690,
700 мм. В случае установки клавиатурного пульта высота сто-
лешницы равна 610, 620, 650 мм. Возможно использование
двухступенчатой столешницы: для непосредственной работы
оператора Н= 700 мм, а для установки клавиатурного пульта
Я=610 мм.

Расстояние нижней кромки столешницы от пола прини-
мается с учетом трех обстоятельств: образования необходимой
жесткости и прочности столешницы, а также возможности
компоновки в тумбе или кожухе типоразмера 12U, размещае-
мом под столешницей.

§ 4.5

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Иерархический принцип построения конструкции вычисли-
тельного устройства приводит к тому, что каждый модуль
может быть спроектирован оптимально в соответствии со своим
показателем качества, который в идеальном случае можно
определить как аргумент показателя качества модуля следую-
щего по порядку более высокого уровня.

При разбиении схемы на уровни учитываются: 1) оптималь-
ные размеры модулей различных уровней; 2) иерархии этих
Уровней; 3) числа внешних выводов модулей и конкретного
назначения модулей нижнего уровня в модули высшего (сле-
дующего) уровня.

Такое разбиение преследует оптимизацию количества типов '
модулей в системе с учетом ограничений по стоимости, На.
дежности и простоте обслуживания; минимизацию количества
выводов у большей части модулей; разработку системы мо-
дулей, обеспечивающей минимальное время диагностики и
локализации неисправностей и минимальное количество и длину
тестов для контроля работоспособности; учет требований мини-
мизации количества межмодульных соединений и их суммарной
длины; равномерное распределение плотности соединений между
модулями разных уровней; сокращение разрыва между слож-
ностью модулей низшего и высшего уровней, необходимое
для правильной организации и распараллеливания производства.

При определении исходных данных модулей во время
проектирования процесс размещения идет сверху вниз, а при
определении оптимальных параметров этих модулей — снизу
вверх методом последовательного приближения.

После выбора оптимального типоразмера модулей приступают
к' компоновке модулей j-го уровня модулями предыдущего
уровня и их размещению. В общем виде задача размещения
заключается в отыскании для каждого модуля проектируемого
устройства оптимальной позиции на монтажной плоскости.
Оптимальное размещение можно свести к решению одной из
следующих ситуаций.

1.	Размещение однотипных модулей J-го уровня на монтаж-
ной плоскости модуля (/+1)-го уровня с заранее заданными
однотипными установочными местами, например размещение ИС
на печатной плате ТЭЗ. Однотипность модулей и установочных
мест понимается в том смысле, что любая ИС может быть
помещена в любое гнездо на плате ТЭЗ.

2.	Размещение модулей разных типов j-го уровня на мон-
тажной плоскости (/+ 1)-го уровня с заранее определенными
установочными местами, например размещение ИС и навесных
элементов (R, Сит. д.) на печатной плате ТЭЗ.

3.	Размещение модулей разных типов на монтажной плос-
кости, когда установочные места заранее не указаны и опре-.
деляются в процессе размещения. Например, размещение эле-
ментов на подложке ИС.

Автоматизация решения данных задач достигается исполь-
зованием упрощенных математических моделей, позволяющих
приближенно определить частные задачи оптимизации разме-
щения на каждом уровне иерархии. Необходимость упрощения
математической модели вызвана причинами, к которым в пер-
вую очередь относят следующие: а) уровни и типоразмеры
модулей, подлежащих оптимизации, отличаются большим разно-
образием; б) модули одного и того же уровня могут сильно
отличаться друг от друга по своим конструктивно-техническим
характеристикам и назначению; в) задачи оптимизации при
переходе по уровням конструктивной иерархии изменяются,
дследствие чего изменяются показатели оптимизации и алго-
ритмы решения. Однако можно выделить ряд задач, типичных
для большинства уровней иерархии, решение которых про-
изводится с помощью общего семейства алгоритмов, разрабо-
танных в последние годы (рис. 4.50).

----1-------------- ।----------7--------------

Исходная информация

1) параметры модулей ',
2)условия функционирования-,
J) данные этапа компоновки

------S--------------------

Решение задачи трассировки

Проверка .—^Нет
электромагнитной —
'^совместимости

Проверка
технологичности

----ц--------------------

Решение задачи размещения

Соответствует'''-^
надежностно - тепловым,
'^-^mpe6oeaHUHMji^M^

Проверка '
laaomoonocoOHocmi

Переход на следующий
уровень иерархии

Вырадотка директив.
Выдор систем охлаждения

Рис. 4.50. Алгоритм последовательности размещения модулей

Суть алгоритмов размещения. Сущность этих алгоритмов
может быть достаточно полно представлена следующей зада-
чей. На монтажной плоскости задана область размещения
2 с топографически привязанными вакантными местами zv
22> ... , zOT, на каждом из которых может быть помещен один
Модуль. Расстояния между вакантными местами du = I z, - zy I
составляют симметричную матрицу D;= II dy II, где dy =0 при i=j.
Имеется множество модулей В = {/>]( Ь2, Ьп}, подлежащих
размещению на местах zv z2, zm	Электрическая

схема соединения этих модулей между собой и с выходными
контактами монтажной плоскости определена в виде матрицы
связности С = 11 с,у II. Ее элементы су =0 при / = у, а при
/ =bj— целые неотрицательные числа, равные числу связей между
модулями Ь, и bj.

Требуется из множества взаимно однозначных отображений В
и Z выбрать, такое размещение модулей, чтобы целевая
функция качества размещения F^b, е В, z, е Z) была экстре-
мальной.

В качестве критериев оптимальности при решении данной
задачи используют следующие критерии.

Критерий 1. Это критерий Qминимизации суммарной
длины всех соединений /а, т.е. min S L где Q— полное коли-
?=i
чество соединений. .

Смысл данного критерия заключается в том, что кратчай-
шие проводники занимают меньшее число дискретных эле-
ментов пространства платы. Таким образом, обеспечивается
большее число вариантов проведения трасс на свободных
элементах. Однако на практике этот критерий не всегда
позволяет создать близкую к оптимальной конструкцию
платы, ибо он только косвенно учитывает связанность моду-
лей между собой. В результате возможно решение, при
котором связанные узлы могут быть разнесены на большие
расстояния, а пространство между ними может быть занято
соединениями между другими модулями. Несмотря на это,
данный критерий находит широкое применение в существую-
щих алгоритмах размещения.

Критерий 2. Это критерий выполнения условия —длина
каждого соединения, по которому передается данный сиг-
нал не должна превышать заданной величины /Дс)**
^/<?зад(0-	_	•

Критерии часто заменяют следующим близким критерием
минимизации числа соединений N, длина которых больше
заданной: min7V[/?( £)] при /,(£)> 1 «зад Ш-

Критерий 3. Это критерий минимизации суммарной
длины соединений, связывающих каждый источник сигнала
с его наиболее удаленной нагрузкой (минимизация наиболее
длинных соединений). Алгоритмы, построенные на базе этого
критерия, дают возможность так разместить узлы на плате,
чтобы длина всех проводников стремилась к среднему
значению. Основанием для рассматриваемого критерия служит
то обстоятельство, что длинные трассы пересекают большее
количество путей прокладки проводников, мешая таким обра-
зом успешному решению задачи трассировки. Данный крите-
пий обычно используют в комбинации с другими основными
критериями размещения.

Критерий 4. Это критерий, утверждающий, что число
пересечений связей минимально. Очевидно, что такой кри-
терий качества определяет самую суть задачи размещения.
Однако для своей реализации он требует совместного
решения задач размещения и трассировки. Данная проблема
ставит непреодолимые трудности в необходимом машинном
времени и объеме памяти запоминающих устройств и
современными алгоритмами не решается.

Критерий 5. Это критерий максимально близкого раз-
мещения модулей, имеющих наибольшее число связей
между собой.

Критерий 6. Это критерий максимального числа цепей
с возможно более простой конфигурацией.

По принципам реализации существующие алгорит-
мы размещения модулей можно разделить на алгоритмы:
1) использующие перестановки элементов; 2) последователь-
ные, использующие силовые функции; 3) использующие
комбинаторно-логические идеи; 4) основанные на методах
математического программирования и, в частности, на комби-
наторных вариантах этих методов.

В основу алгоритма, использующего перестановки, положен
метод направленной оптимизации размещения модулей на
плате при выполнении требований критерия минимизации
суммарной длины всех связей между модулями. Работа
алгоритма происходит циклически. В течение одного цикла
вычисляются значения приращений суммарной длины связей
на плате для всех возможных попарных перестановок
модулей, число которых равно N = (N—1)/2. Затем из всего
множества перестановок, дающих отрицательные приращения,
выделяется некоторое подмножество, которое должно удовлет-
ворять следующим условиям: а) позволять максимально
уменьшать суммарную длину всех связей; б) любой модуль
может менять свое место только один раз; в) включать
в себя такие пары перестановок, при которых модули,
меняющиеся местами, не связаны ни с одним модулем из
Других пар. Несоблюдение хотя бы одного из двух послед-
них условий ухудшает результат размещения по сравнению
с первоначальным, так как при этом происходит увеличе-
ние длины связей между модулями из разных пар.

Рассмотрим математическое обоснование описываемого
алгоритма. Если rit есть расстояние между двумя модулями,
а kit —число связей между ними, то суммарная длина
Всех связей между узлами Е, и Et будет Rit = rit kit.

Распространяя это выражение на все множество модулей,
Получаем следующее выражение для определения суммар-
250	Глава 4. Основы конструирования стационарных ЭВМ

— „ _---------------------------------------------,---

ной длины связей модуля Е, со всеми остальными:
Л

=^rttkit.

Отсюда легко вычислить суммарную длину всех связей-

1 Л’	I N

L =4 s s
x /=)_____i=!_£=j_

Если выделить из всего множества модулей на плате
модули Е, и Ej, то суммарная длина связей этих модулей
со^семи остальными определяется как Lij = lin+ Lj - гцк1} =
= g (гit к i( + rjt kJt) - rtj kij.

При попарной перестановке модулей Е, и Ej суммарная
длина связей их со всеми остальными модулями

£(/.0= 2 (Гцкц + ritkit)— rijktj.
|»|

Таким образом можно вычислить изменение суммарной
длины связей модулей Е, и Ej со всеми остальными моду-
лями, полученное при их перестановке:

Д£«.о==£а./)_£(/.о= 2 (rit-rit\ku-kit).

 r==l

(4-3)

По (4.3) вычисляют матрицу приращений для всех по-

парных перестановок, на основании анализа которой и
производят перемещения модулей на плате.

----1--------------------------

Вычисление матрицы расстояний

Рассмотрим схему ал-
горитма, показанную на
рис. 4.51.

Блок 1. Вычисление

---2--------------------------------

Составление матрицы связей между
мо дулями

"1 1 3........................... ".

Вычисление матрицы приращении сум-
марной длины'всех, связей

Нет

Да

перемещении

----5

Выделение подмножества .попарных

Есть ли
отрицательные элементы в магтр
* —.рцце поипашения!

матрицы расстояния R
между точками на плате,
в которых размещаются
модули:

Г|| Г12 Г|3 ... Г1К

Г21 Г22 г23  r2N

Г N\ rN2 Гиз  Г NN

патов решения задач .
размещения

Матрица определяет-
ся один раз и действи-
тельна для всех циклов
алгоритма. Очевидно,
что /„ =г22 = ... = г^=0.

Блок 2. Составле-

Рис. 4.51. Схема алгоритма попарных пере-
становок

ние матрицы связей меж-
ду модулями. Элемент

6
матрицы численно равен числу
контакты модулей Е, и Е/

проводников, соединяющих

&1I	kl2	...	km

kl\	&22	k23		k2N

k)42	k/J3	...	knn

Матрицу связей составляют для каждого цикла алгоритма.
В первом цикле используют данные матрицы Ко связей
начального размещения модулей, во втором цикле работы
алгоритма в матрицу К, заносятся результаты перестановок,
вычисленных в первом цикле, и т. д.

Блок 3. Вычисление элементов матрицы приращений
суммарной длины всех связей производится по (4.3) для
всех возможных попарных перестановок.

Блок 4. Проверка на наличие отрицательных элементов.
В том случае, если отрицательных элементов нет, т. е. любая
перестановка модулей приводит к увеличению суммарной
длины всех связей, то результат размещения, полученный
в предыдущем цикле алгоритмов, окончателен.

Блок 5. Проведение анализа всего множества отрицатель-
ных элементов матрицы приращений и выделение множества
элементов, соответствующих попарным перемещениям, ко-
торые удовлетворяют рассмотренным ранее требованиям
(попарные перемещения производятся по индексам выделен-
ных элементов матрицы приращений и учитываются в
следующем цикле алгоритма матрицы связей между моду-
лями), если условие 4 выполняется.

Алгоритмы последовательного размещения модулей. Преиму-
щество алгоритмов этой группы в том, что они не требу-
ют начального размещения. Эти алгоритмы часто исполь-
зуют следующие критерии оптимизации: минимум длины
самой длинной связи, максимум числа связей между моду-
лями, находящимися в соседних позициях.

Основная идея задачи размещения следующая: все модули
Упорядочивают по какому-либо признаку. В установленной
очередности для каждого из них отыскивают начальную
позицию (например, по суммарной длине связей с уже разме-
щенными). Затем процесс повторяют для оставшихся модулей
и свободных позиций до тех пор, пока не. будет получено
Размещение всех модулей.

Рассмотрим алгоритм, который при последовательном
выборе и установке «лучшего» в некотором смысле модуля
Учитывает возможности для размещения оставшихся. Качест-
во размещения модулей (например, модулей второго уровня)
во многом зависит от учета на этапе размещения ограниче-
ний, возникающих на этапе трассировки. Поэтому последо-
вательное размещение предусматривает:

1)	определение на любом шаге алгоритма для каждого
неразмещенного модуля множества незанятных позиций в
которые данный модуль может быть установлен с учетом
числа свободных магистралей;

2)	получение различных размещений всех неразмещенных
модулей в свободные позиции с учетом п. 1;

3)	нахождение варианта размещения и модуля в нем
для которых самая длинная связь минимальна;	’

4)	установление модуля в найденную позицию, трассиров-
ка его цепей с уже размещенными модулями;

5)	определение изменения ресурса свободных магистра-
лей у каждой незанятой позиции и переход к п. 1.

Пусть заодно множество модулей-М = {ти т2,-..,тпп} и мно-
жество позиций, в которые эти модули могут быть установ-
лены: Р = {рр р2,...,рп}. Схема соединений модулей в соот-
ветствии с электрической принципиальной схемой представ-
лена матрицей связей А=И II , где а у — число связей между
модулями w, и tn j.

Пусть в соответствии с требованиями практики необхо-
димо задать местоположение некоторых модулей {М}<=М,
при этом	— множество позиций, которые они заня-

ли). Тогда множество рабочих неустановленных модулей и
свободных позиций будет

Мр — М — {М}, {Л4) = {т,|, ••• , rntq, , mlk}-,

Рр = Р-{Р}, {Р}={Рц, .... P/s,

J

Подматрица связей запрещенных модулей будет А = 11 а у II ,
где a,z—число связей между модулями т, тр^{М}. Таким
образом^ подматрица рабочих связей размерности кХк будет
АР = А/А = 11 a?qtJ II . В соответствии с подматрицей А,
используя алгоритмы трассировки, можно проложить цепи для
{Л/}-модулей, установленных в {^-позиции. Будем считать, что
каждая позиция имеет ограниченное исходное число сво-
бодных магистралей ру, у=1, 2,	Далее поставим

в соответствие каждой позиции Pjs^Pp неотрицательное
значение некоторой целочисленной переменной а^, которое
количественно выражает «текущее» значение числа свобод-
ных магистралей для г данной позции на каждом r-м шаге
алгоритма:	ft Js	где 5^—число занятых на этапе

трассировки магистралей около позиции PJs^Pp.

Введем в рассмотрение некоторую переменную (0,1) — матри-
цу Х(г) размера кХп, для которой
1, если 2	<7; /=1

(?=const

/=|

к

О, если 2 a,qii>a)rs\ q\ J=1

<7=const

/=1

... , k; s=l, ... , /;

... , k\ s= 1, ... , /

(4-4)

где Xqs определяет возможность установки модуля miq^Mp
в позицию PjS е Рр.

Любое построение в этой матрице максимального мно-
жества единичных независимых элементов будет соответ-
ствовать допустимому в соответствии с ограничениями (4.4)
размещению неразмещенных модулей в незанятых позициях.

Введем матрицу «расстояний» Bw = ll b%\\ , где b(qs — целые
положительные числа, которые будем называть длиной
связи модуля .т1ч^М, находящегося в позиции PJS^PP-
Длиной связи модуля будем считать попупериметр прямо-
угольника, в который вписываются контакты некоторой цепи,
один контакт обязательно принадлежит данному модулю,
а другие находятся на модулях, уже закрепленных в некоторых
позициях предыдущими шагами алгоритма (на рис. 4.52
связь длины выделена жирной линией).

Очевидно, что в матрице (7^= XWXBW допустимы ненуле-
вые элементы и, таким образом, задача сводится к тому,
чтобы найти модуль и позицию для установки, которые
в некотором допустимом размещении D(r) всех неразмещен-
ных модулей обладают минимальной из всех максимальных
длиной связи, т. е. надо найти модуль и позицию в до-
пустимом размещении, для которых

min max[M/2 Л1/?] > 0.

О1'1

Перейдем к описанию
задачи размещения. Выбе-
рем произвольное допусти-
мое размещение D{r} в мат-
рице С(л). Клетки
еС(г> назовем допустимы-
ми, если <т$х[Ь1'^

и bq^O, или недо-
пустимыми, если ’ C{gS} >
и ь^=о.
Размещение D( г) улуч-
шается в смысле (4.5) толь-
ко в том случае, если в
матрице С(г) можно найти
®г} независимых допусти-
Mbix клеток (£( г)—размер-
ность матрицы С(г)).

(4.5)

Рис. 4.52. Пример схемы размещения мо-
дулей на плате
Для построения максимального множества допустимых кле.
ток можно поступить следующим образом. Пусть число
независимых допустимых клеток z(r). Если z(')<k(r\ То
размещение D(r~1} оптимально в соответствии с (4.5), если
z(r) = k(r), то повторяем операцию установления допустимых
и недопустимых клеток (уменьшается max [д^Х^]) для полу-
чения нового размещения. Итак, каждая итерация, с одной
стороны, уменьшает значение самой длинной связи, а с
другой стороны, это уменьшение происходит с учетом
ограничения на допустимые размещения (4.4). Когда устанав-
ливается неравенство z(')<k<r>, в размещении Д(г-1) находится
элемент max[Z>(?71)^?71)], который определяет модуль miq
и позицию Pjs для закрепления. Далее производится трас-
сировка цепей, связывающих модуль т1я с уже установлен-
ными. Этот модуль и позиция Pjs вычеркиваются из под-
множества рабочих, и процесс повторяется до нахождения
следующего модуля и позиции аналогичным образом, пока
подмножества рабочих модулей и позиций не окажутся пу-
стыми.

Ориентируясь на отдельные иерархические уровни, рас-
смотрим последовательные алгоритмы для уровней I—IV.
Это позволяет упростить решение задачи размещения в
пределах одного уровня. Кроме того, такой порядок дает
возможность использовать для модуля (j+ 1)-го уровня
результаты размещения у-го уровня.

Для размещения модулей на уровнях I, II приходится
иметь дело с элементами, линейные размерности которых
различны. Такие задачи можно разделить на задачи двух
типов.

Тип 1. Эти задачи решают с помощью приведения
установочных мест разногабаритных размещаемых модулей к,
кратным линейным размерам элементарных ячеек монтажной
плоскости. К данным задачам можно отнести задачи разме-
щения радиодеталей на монтажной плоскости модуля уров-
ня II, когда не возникает опасности, что размещаемые
радиодетали не поместятся на плате.

Тип 2. Для задач этого типа характерны требования
эффективного использования монтажной плоскости при ряде
ограничений линейного и нелинейного характера. В качестве
комплексного показателя F в таких случаях берется, как
правило, кусочно-линейный функционал.

Для задач типа 1 отдельные элементы данного модуля
(R, Сит. д.) по своим габаритным размерам должны
вписываться в минимальное целое число элементарных
ячеек монтажной плоскости. В качестве элементарной ячейки
выбирают ячейку, габаритные размеры которой равны габа-
ритным размерам минимальных модулей. При этом заранее
Рис. 4.53. Схема алгоритма размещения разногабаритных модулей
задают количество и сочетание элементарных ячеек, покры-
вающих размеры каждого модуля, подлежащего размещению,
обозначим через 1л, 1л габаритные размеры монтажной
плоскости и через l\, h размеры элементарной ячейки
Размещения, тогда при Zi=^Z,2, /1^/2 получим: L\=nl\;

L\ = rh; L2=ql\, где n, m, r, q — целые числа,

---Ю-----------,-------

Топологические
характеристики модулей
Признаки [i f

----щ----------------

и-> Постановка модуля на
монтажной плате

Нет

все ли модули
размещены ?

Печать результата
являющиеся исходной информацией для решения задачи
размещения.	и

Критерием размещения является максимум взвешенной
связности конструктивных элементов внутри модуля, равно
значный критерию получения минимального числа’ связей
между модулями, конструктивно реализирующими заданную
схему: тахФ = max О Xfr. , где Хо= 2 [S,, Sj/Q(Si)\-
коэффициент относительной взвешенной связности модулей
S, и Sj-, т — количество модулей цредыдущего (п—1)-го уровня
размещенных на модуле л-го уровня; q>w — вес связи r-го вы-
вода S-модуля с Sj; Q(Si)— полное количество связей
модуля Sj; /с—количество связей между модулями S, и 5

Алгоритм начинает работать с момента закрепления на под-
ложке первого элемента. В качестве исходных элементов'
закрепленных ранее, могут быть выбраны контактные зоны
разъемов или какие-либо элементы. Схема алгоритма при-
ведена на рис. 4.53.

Пусть за каждым элементом а определяющей топологи-
ческой группы (рис. 4.54) закрепляется одно посадочное
место монтажной плоскости. За более крупными элемен-
тами р закрепляют сразу несколько элементарных установоч-
ных мест монтажной плоскости согласно топологической
характеристике каждого элемента. Элементы у могут
размещаться по к штук на одно или группу посадочных
мест монтажной плоскости.

Размещаемый элемент р воспринимают как единое целое
со всеми его связями. Если в одной или группе установоч-
ных мест поставлено к элементов с признаком у, то
при определении связи этих эле-

Рис. 4.54. Топология элементов с
различными габаритными разме-
рами

ментов учитывают суммарную
связь всех i элементов, находя-
щихся в структуре. Если найдется
несколько элементов, имеющих
одинаковые коэффициенты связ-
ности с выбранной зоной разъема
или элементов, то алгоритм выби-
рает элемент, имеющий меньший
порядковый номер. Чтобы умень-
шить вероятность появления это-
го события, а также для большей
определенности в фиксации эле-
мента на вакантном установочном
месте монтажной плоскости, УчИ'
тывают связь устанавливаемого
элемента с другими поставлен-
ными ранее элементами. Пере^
установкой элементов больших габаритных размеров, площадь
установочного места которых равна нескольким площадям
эдементарных ячеек размещения, предварительно вычисляют
возможность их размещения на вакантных местах. После
закрепления таких элементов в список занятых ячеек, входящих
в установочную область этой компоненты, из списка разме-
щаемых модулей выбираются модули, максимально тяготе-
ющие к трем ранее поставленным модулям (левому и двум ниж-
ним), а также еще -более ранним поставленным модулям с
соответствующими коэффициентами, учитывающими отдален-
ность связей.

Для размещения модулей на уровнях III и IV рассматривают
целочисленные задачи, аналогичные задачам, возникающим
при размещении модулей в фиксированных позициях монтаж-
ной плоскости. Но принципиальным отличием последователь-
ного алгоритма уровней III и IV являются: а) максимальное
снижение искажений логических сигналов за счет уменьшения
длины соединений; б) максимальное повышение надежности
за счет облегчения теплового рекима.

Алгоритм состоит из двух этапов.

Этап 1. Определение оптимальных расстояний между
любыми z-м и J-м модулями с учетом различных ограни-
чений:

£0	2 Q^i^Tlon 2

где тдоп—допустимое время задержки данной логической
схемы; пк— число элементов в логической цепочке; т0,-—
соответственные времена задержки этих элементов; е, =
~КС/-/ёГ где К— коэффициент пропорциональности;
С— емкость проводник —корпус, отнесенная к единице длины;
(—длина проводника, подсоединенного к логическому
элементу; е, — диэлектрическая проницаемость среды; с —
скорость света в вакууме;

б)	длина / реальных соединительных проводников должна
Удовлетворять неравенству	Um), где Um и

&Um— соответственно амплитуда импульса и допустимое ее
искажение;

в)	Ij^drmn, где ^min — минимально возможное расстояние
Между модулями. Результаты этого этапа в виде матрицы
' II используют на этапе 2 как данные при вычислении
Целевой функции F.

Этап 2. Для очередного размещения из множества не-
размещенных модулей выбирают тот, при котором максими-
зируется функция F=FyF2i, где FI(, F2i — соответственно
Частные показатели качества теплового режима и количества
связей z-ro модуля с другими модулями; R}, R2 — весовые
Коэффициенты (в первом приближении 7?t =/?2 = 1)-
В качестве_показателя Fm может быть использована вели
чина F]i	где W] —мощность j-го источника тепло'

вой энергии.

Показатель Fn учитывает расстояние между модулями
и рассчитывается, если: а) предварительно попределены рас.
стояния hj между моделями (Fz, = Д/0 -JS /„•); б) расстоя-
ния неизвестны (F = Пу п -у , где Пу —число связей
между г-м и j-м модулями).

Выбор первого модуля для размещения на крайней пози-
ции производят на основе смешанных требований с учетом
и без учета дисперсии электрических связей. Для определе-
ния дисперсии связей размещаемых модулей используют
выражение D, = £ /й, - Пц )2, где п — количество размещаемых
• 1 7

модулей; п, = — '£пч - среднее количество связей «-го модуля
с остальными; Пу —число связей 7-гб модуля су-м.

Если дисперсию соединительных связей не учитывают,
то при выборе первого модуля используют критерий
maxF,=max[w,52) W, Х(— S п0)], а при учете дисперсии-

S/=i	п	•

2» И/ - Пу ) /D].

§ 4.6	1=1

ОХЛАЖДЕНИЕ ЭВМ И СИСТЕМ

Настоящее и будущее микроэлектронной аппаратуры связа-
но с использованием больших мощностей при сравнительно
малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плот-
ности мощности рассеяния, а следовательно, и плотности
рассеиваемой теплоты. Если для ламповой и полупроводни-
ковой аппаратуры значение плотности мощности рассеяния
составляет 0,03—0,5 Вт/см2, то для современной аппаратуры
оно равно 0,6—6,0 Вт/см2. Поэтому при конструировании
микроэлектронной аппаратуры особое значение приобретает
разработка методов отвода теплоты, регулирования и контро-

Рис. 4.55. Температурное поле бло-.
ка аппаратуры

ля температуры.

Тепловой режим блока элек-
тронной вычислительной аппа-
ратуры характеризуется сово-
купностью температур отдель-
ных его точек — температурным
полем (рис. 4.55). Если темпе-
ратура в любой из точек блока
не выходит за допускаемые
пределы, то такой тепловой ре-
жим называется нормальным-

В зависимости от ста-
лцльности во времени тепловой режим может быть
тадионарным или нестационарным. Неизменность температур-
ного поля во времени характеризует стационарный режим.
зависимость температурного поля от времени характерна для
иеСГпационарного режима. Этот режим имеет место в тех слу-
чаях, когда собственная теплоемкость аппарата соизмерима
с количеством теплоты, выделяемой при работе. Обычно
нестационарный режим имеет место при одиночных и кратко-
временно повторяющихся тепловых нагрузках.

Перенос теплоты от нагретого тела к холодному (или
к окружающей среде) происходит за счет теплопроводности,
конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность — процесс обмена тепловой энергией меж-
ду находящимися в соприкосновении телами или частями
тел, обусловленный взаимодействием молекул и атомов
этих тел.

Конвекция — перенос энергии макрочастицами газа или
жидкости.

Перенос теплоты излучением происходит за счет превраще-
ния тепловой энергии в энергию излучения (лучистая
энергия).

Для описания всех трех видов теплообмена можно исполь-
зовать следующее соотношение:

Ф=((5Д/.

где Ф —тепловой поток, Вт; а — коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2-К); 5—площадь поверхности теплообмена, м2; △/—
перепад температур между двумя изотермическими поверх-
ностями в теле или между двумя телами, К.

В реальных условиях теплообмен осуществляется одно-
временно двумя или тремя видами, что делает практически
невозможным точный расчет температурного поля. Поэтому
на практике расчет проводится, как правило, для одного
наиболее эффективного вида теплообмена, не принимая во
внимание все другие.

Техническая реализация системы охлаждения микро-
I электронной вычислительной аппаратуры может быть осу-
| Ществлена по одному из способов, приведенных на рис. 4.56.

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы
КоэФфициентом теплоотдачи [Вт/(м2 • град)], значения которого
Для различных систем охлаждения приведены в табл. 4.4.

Для стационарной электронной вычислительной аппарату-
ру используются в основном способы охлаждения теплопро-
водностью, воздушное естественное и принудительное, а так-
принудительное воздушное с дополнительным охлажде-
Ием жидкостью в трубопроводах.

I 9»
Рис. 4.56. Способы охлаждения микроэлектронной аппаратуры:
а — охлаждение теплопроводностью; б — естественное воздушное в герметизи-
рованном корпусе; « — естественное в негерметизированном корпусе; г, д —
принудительное воздушное в герметизированном и негерметизированном кор-
пусе; « — естественное жидкостное; ж — принудительное жидкостное; з — испа-
рительное; и — излучением; к—основанное на эффекте Пельтье; / — стенка
j прибора; 2 — интегральная схема; 3 — теплоотвод; '/ — печатная плата

Передача теплоты теплопроводностью. Процесс передачи
теплоты теплопроводностью объясняется обменом кинетиче-
ской энергией между молекулами вещества и диффузией
электронов. Оба эти явления имеют место в тех случаях,
когда температура вещества в различных точках различна

Таблица 4.4

Система охлаждения	Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2•°C)
Естественная, воздушная, излучением  Принудительная воздушная  Естественная жидкостная  Принудительная жидкостная  Испарительная	2-10 10-150 200-600 ЗОО-ЗООО 500-120000
йди когда контактируют два тела с различной степенью
наГрева.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье), утвержда-
ющий, что количество теплоты, проходящей через гомогенное
тело в единицу времени, прямо пропорционально площади
поперечного сечения, нормальной к потоку теплоты и темпера-
турному градиенту вдоль потока, аналитически выглядит сле-
дующим образом:

(D = dQ/dT=-A.S(dVdx),	(4.6)

где Ф —тепловой поток, Вт; Q — количество теплоты, Дж; т —
время, с; 5—площадь, м2; г—температура, К; Л—константа,
характеризующая теплопроводность материала, Вт/(м • К); х —
линейная координата, м.

Из (4.6) следует, что поток теплоты может быть направлен
только в сторону падения градиента температур.

Для случая, когда теплофизические характеристики веще-
ства постоянны во всех точках, а тепловой поток имеет
составляющие распространения по трем координатным осям,
пользуясь (4.6), можно вывести основное уравнение тепло-
проводности:

d2/ d2t	О' К dt

+	+	+ л, — су дг'

где Q — количество теплоты, эквивалентное мощности внутрен-
них источников в единице объема, Дж; с —удельная тепло-
емкость вещества, Дж/(кг-К); у —плотность вещества, кг/м3.

Для случая передачи теплоты через плоскую стенку тол-
щиной Ь(рис. 4.57, а) количество теплоты, передаваемой за
единицу времени через участок стенки площадью S, на осно-
вании (4.6) равно

Q = (?./b)S(/cri -4,2) = ЗФ.	(4-7)

где /ст1, /Ст2 -постоянные во времени температуры поверх-
ностей стенки, К или °C.

Если теплопроводность не зависит от температуры, то
внутри стенки она убывает по линейному закону, как пред-
ставлено на рис. 4.57, а.

Коэффициент теплопроводности Л для различных веществ
Различен. Как видно из табл. 4.4, коэффициент теплопровод-
ности неметаллических материалов 0,05—0,8 Вт/(м-°С), а метал-
лов—примерно 45—390 Вт/(м-°С), т. е. на 3—4 порядка больше.
Коэффициенты теплопроводности жидкостей равны примерно
°,09-0,5 Вт/(м • °C), а газов —приблизительно на порядок
меньше.

Если сравнить уравнение (4.7) с уравнением закона Ома
Лля электрических цепей, то нетрудно убедиться в их полной
аналогии. Так, количество теплоты в единицу времени Q
Рис. 4.57. Переда-
ча теплоты через
стенку

а)

RC, Rcz ^сз

Рис. 4.58. Передача тепло-
ты через составную стенку

Таблица 4.5

Материал	Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-°С)	Материал	Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-°С)
Серебро	416	Паста КПТ-8	0,80
Медь	390	Теплопроводящая	
Золото	297	эпоксидная смола	0,78
Алюминий АО, А5, А7	210	Стекло С48-2, С52-1	1,20
Алюминий АЛ-6	196	Клей ВК-9	0,8
Алюминиевый сплав		Стекло	0,74
АМД	188	Пресс-материал	0,7
Алюминиевый сплав		ЭПФ-63	
АЛ-2	175	Компаунд ЭЗК-25	0,64
Алюминий АД1М	170	Слюда	0,58
Латунь Л63	86	Клей Д-9	0,50
Олово	67	Пластмасса полихлор-	
Бронза	64 	винил	0,44
Бериллиевая кера-		Текстолит	0,33
мика	60-200	Стеклотекстолит 1	0,231-0,335
Никель	60	Картон плотный)	
Сталь низкоуглеро-		Резина	0,10
дистая	46	Эпоксидная смола	
Оксид алюминия	27,5	Асбест	0,17
Керамика «Поликор»	22	Полиметилсилокса-	
Ковар Н29К18	21	новая жидкость	0,1“0,12
Сталь нержавеющая		ПМС-200	
12Х18Н10Т	14	Полихлорвиниловая	о,п
Керамика М-7	9,7	пленка	
Керамика 22ХС (АЬОз)	8,0	Воздух	0,023
Ситалл	1,50	Воздух в малых	0,05 .
Фарфор	0,83	зазорах	
		Пенопласт 2003	0,0575
оответствует значению тока I, температурный градиент — раз-
ности потенциалов U. Отношение b/ ( XS) называют терми-
цеСким или тепловым сопротивлением и обозначают через Re
(рис. 4.57, б)\

/?, =b/(is)

Значение Rc соответствует сопротивлению R в уравнении
закона Ома, а величина, обратная коэффициенту теплопровод-
ности, т. е. удельное термическое сопротивление ^ — удель-
ному сопротивлению в электротехнике:

\/K=Rc(S/b).

Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока
и электрического тока не только позволяет отметить общность
физических процессов, происходящих в телах, но и облегчает
проведение расчета теплопроводности в сложных конструк-
циях. Это достигается моделированием тепловых цепей
электрическими. Так, для трехслойной стенки (рис. 4.58, а),
пользуясь (4.7), составим систему уравнений:

tai — t„2 = Qb\/('k]S);	— <стз=	Атз— <ст4 = С?Ьз/(Лз5)-

После сложения этих уравнений получим (рис. 4.58, б)

— ^t4 = (xiS	X2S X3S =(^с|T'^c2T'^r3)Q— S RaQ- (4.8)

Сравним полученное выражение с формулой расчета падения
напряжения на цепочке последовательно соединенных сопро-
тивлений, в результате будет иметь место (£/= Ё 7?,2) пол-
ная идентичность обоих выражений.

Предположим, что элементы, которые необходимо охлаждать,
располагаются не стенке, имеющей температуру гсц :

tcri = Qb/(kS) + ^ст2-	(4.9)

Отсюда для уменьшения /ст1 следует увеличить площадь
теплоотводящей поверхности, уменьшить количество выделя-
емой теплоты, толщину стенки (путь передачи теплоты), тем--
пературу и выбрать материалы с высокой теплопроводностью.

Этому требованию соответствуют печатные платы на-
металлической основе (см. гл. 3).

Пример. Провести ориентировочный расчет эффективности охлаждения
теплопроводностью для ячейки (рис. 4.59, а), в. которой БГИС на поли-
коровой подложке 2, составленная из бескорпусных приборов на балочных
вводах 1, размещается на алюминиевом основании 3, закрепленном на
алюминиевой трубке прямоугольной формы 5. Трубка с циркулирующим
хлажденным воздухом или жидкостью размещена на коммутационной
ечатной плате 6, электрическое соединение которой с подложками БГИС
сУЩествляют гибким печатным кабелем или навесными проводниками 4.

Исходные данные следующие: число бескорпусных приборов на подлож-
бо Б^ИС п = 40, число балочных алюминиевых выводов на каждом при-

Ре пв = 16, количество теплоты, выделяемое каждым прибором, Qo =0,2 Вт,
Ина выводов /в=2-10-3м, площадь поперечного сечения вывода 5в =
Рис. 4.59. Пояснение к примеру расчета охлаж-
дения БИС

35 мкм • 200 мкм = 7 • 10~9м2, площадь поверхности подложки 5= 2,4 • 10~3м2
толщина подложки Ьп = 0,8 • 10“ Зм, толщина стенки трубки Ьт = 0,8 • 10-3м’
толщина клеевого слоя Ьк = 0,1 • 10“3 м, толщина основания Ьо = 0,5 • 10'3 м’

Требуется определить, до какой температуры нагреются бескорпусные
приборы, если внутренние стенки охлаждающей трубки имеют постоянную
температуру 20°С.

Для упрощения расчета сделаем следующие допущения: 1) температура
внутренних стенок охлаждающей трубки одинакова и постоянна для всей
поверхности стенок; 2) поток теплоты, равномерно распределяясь по поли-
коровой подложке, направлен к охлажденной поверхности внутренней стенки
трубки; 3) тепловое сопротивление перехода алюминиевое основание 3—
стенка трубки 5 равно нулю; 4) охлаждение бескорпусных приборов осу-
ществляется исключительно путем теплопроводности.

Тогда цепочка тепловых сопротивлений Rc будет состоять из пяти
составляющих (рис. 4.59, б): тепловых сопротивлений балочных выводов
Rei. поликоровой подложки Лс2, клеевого соединения Rd, алюминиевого
основания Лс4, стенки охлаждающей трубки RC5.

Температура кристаллов бескорпусных приборов в соответствии с (4.8),
(4.9)

7K = QoRci + Q 2 Re,-+ 20.	(4.10)

,=2

Количество теплоты, выделяемой всеми приборами,

Q = Qoft==8 В г.

Тепловое сопротивление 16 выводов каждого из бескорпусных приборов

7?е1=/в/(ХА|5вдв)=90°С/Вт.

Тепловое сопротивление поликоровой подложки

Rc2=6„/(1„S)= 1,1 • 10-2оС/Вт.

Тепловое сопротивление клеевого слоя

Rc3 = 6k/(XkS) —0,14°С/Вт.

Тепловое сопротивление алюминиевого основания

Rc4 = 6o/(XAiS)= 1,05- 10-3оС/Вт.

Тепловое сопротивление охлаждающей трубки

Rcs = 6T/(XA|S)= 1,67 • 10-3оС/Вт.

Подставляя полученные значения параметров в (4.10), получим темпера'
туру нагрева кристаллов бескорпусных приборов: tK = 39,2°С.

Это вполне допустимо для большинства типов бескорпусных полуПР0'
водниковых приборов.
Для более точного расчета падения температуры необходимо
учитывать тепловое сопротивление в месте контакта двух
тел (в рассмотренном случае алюминиевого основания и алю-
миниевой стенки трубки): Тепловое сопротивление места
контакта определяется непараллельностью сопрягаемых поверх-
ностей и их микронеровностями.

Для металлических поверхностей, имеющих в месте контакта
только микронеровности, тепловое сопротивление определя-
ется физико-механическими свойствами материала, чистотой
обработки поверхностей и удельным давлением сжатия. При
удельном давлении более 2000 Н/см2 удельное тепловое сопро-
тивление контакта практически не зависит от нагрузки. При-
мером таких давлений служат усилия в резьбовых соединениях.

Тепловое сопротивление в месте контакта двух тел

RK=\/(kS),

где к— удельное тепловое сопротивление контактной пары.

Значения к для различных контактирующих материалов с
шероховатостью поверхности 7?z20 приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Материал

Удельное тепловое сопротивле-
ние контактной пары к - 104

Медь — алюминий

Медь — медь

Медь — латунь

Медь — дюралюминий

Сталь —медь

Сталь — сталь

Алюминий — алюминий

Металл — стекло

Сталь —сталь резьбовое соединение

12

10

5,5

5,0

1,2

1,5

15
3-6,4
0,17

Для вышеприведенного примера расчета в (4.10) следует
Добавить значение падения температуры на участке контакта
алюминиевого основания с алюминиевой стенкой трубки, кото-
рое можно рассчитать по формуле

A/=Q/?K = Q/(£S)«0,02°G.

Естественное и принудительное воздушное охлаждение. Эти
способы охлаждения наиболее просты и доступны, так как все
элементы микро-ЭВМ находятся в. объеме, заполненном воз-
духом или инертным газом. Теплота от нагретых корпусов
микросхем передается окружающей атмосфере за счет естествен-
н°й конвекции. Эффективность естественного воздушного
охлаждения тем больше, чем больше разность температур
Между корпусом и окружающей средой и чем больше пло-
щадь поверхности корпуса. Большое значение также имеет
плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод
теплоты от поверхности корпуса уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на
том, что слои воздуха (или другой среды), нагреваясь от
выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого
меньшей плотностью и большей кинетической энергией, пере-
мещаются вверх и замещаются более холодными слоями.
Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше тепло-
обмен. Эффективность теплообмена естественной конвекцией
зависит от места расположения элементов в объеме машин.
Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами
воздушному потоку ничего не препятствует и теплые' слои
воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном
расположении плат ячеек смена слоев воздуха затруднена,
вследствие чего нагрев элементов происходит в большей сте-
пени. В худшем положении будут элементы, находящиеся в
верхней части корпуса машины, так как здесь замещения
теплых слоев холодными практически не происходит и их
охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через
холодную крышку.

В общем виде для случая естественной конвекции тепло-
вой поток может быть рассчитан по выражению

O = f(Nu, Сг, Рг, Re, Ре, Fo, Bi')SA<,
где 5—площадь поверхности аппарата, м2; Аг—разность темпе-
ратур, К; Nu, Gr, Рг, Re, Ре, Fo, Bi —соответственно критерии
Нуссельта, Грасгофа, Прандтйя, Рейнольдса, Пекле, Фурье и
Био, определяемые по выражениям Nu=aK //Лс ; Gr =
= gB/3Ar/v2; Рг =- Gvp/Хс; ,Re = v//u; Pe = v//a; Fo = af//2;
Bi = aK I/XT.

При этом- a к —коэффициент теплообмена при конвекции
газа (жидкости). Вт/(м2• К); /—длина, м; Хс —коэффициент
теплопроводности среды, Вт/(м • К); g—ускорение центра масс,
м/с2; В —коэффициент объемного расширения среды, 1/К;
v1—коэффициент кинематической вязкости, м2/с; G—поток
газа (жидкости) массовый, кг/с; объемный, м3/с; р—плотность
газа (жидкости), кг/м3; v —скорость движения газа (Жидкости),
участвующего в конвекционном обмене, м/с; а — коэффициент
температуропроводности газа (жидкости), м2/с; г—время, с;
Хт —коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м-К).

Примечание. Физический смысл перечисленных выше критериев
следующий: Nu характеризует соотношение интенсивности конвективного
теплообмена и теплопроводности в пристеночном слое газообразной или
жидкой среды; Gr — соотношение подъемной и вязкой сил при свободной
конвекции в потоке газа (жидкости); Рг — физические свойства среды; Re"
соотношение сил инерции и трения в потоке теплоносителя; Ре — отношение
конвективного и молекулярного переноса теплоты в потоке среды; Fo"
корость изменения температурного поля тел во времени; Bi —связь между
родем температур твердого тела и условиями теплообмена на его поверх-
ности.

Связь между критериями выражается степенным критериальным уравне-
нием

Nu = cCrmPr'1Re/PepFo’Bi'^lon,

где С т, п, I, р, q, s — числовые безразмерные величины, соответствующие
определенному виду и режиму движения среды и некоторому диапазону
изменения определяющих параметров; £доп — коэффициент, учитывающий
влияние дополнительных факторов.

Точное определение критериев решения уравнения требует привлечения
сложного математического аппарата.

Рассмотрим методы ориентировочного расчета теплового
режима и выбора систем охлаждения стационарных ЭВМ, точ-
ность которых достаточна для этапов эскизного и технического

проектирования.

На начальном этапе после эскизной проработки конструкции
блока ЭВМ определяются ее общий объем V= L'XB'XH, (где
L, В, Я—линейные размеры блока), коэффициент формы блока
k^H/vV, коэффициент заполнения ^(коэффициент,.заполне-
ния для ЭВМ на микросхемах численно равен 0,4—0,8 и
зависит от плотности компоновки интегральных схем), значе-
ние мощности рассеяния . Затем определяется площадь
условно нагретой зоны по номограмму, приведенной на
рис. 4.60, и удельный тепловой поток q=Ppac/S3. По этим

данным, по графикам,
показанным на рис. 4.61,
определяется способ теп-
лоотвода конвекцией
воздуха и значение пере-
гревов нагретой зоны
и воздуха Д/в. Если
или Дгв выше пре-
делов, отмеченных на
рис. 4.61, то необходи-
мо уменьшить величи-
ну К{.

В случае выбора спо-
соба охлаждения путем
принудительной венти-
ляции воздуха необходи-
мо оценить значение
объемного расхода охла-
ждающего воздуха Дби
по графику, приведенно-
му на рис. 4.62.

Рис. 4.60. Номограмма для определения
площади условно нагретой зоны

Пример. Определить темпе-
ратуру перегрева Дг и объем
а)

5)

во
50
ио
20

О
80
50
U0
20

О

Рис. 4.61. Графический способ определения перегрева нагретой
зоны Ас, (а) и охлаждающего воздуха Д/в (б) при различных
способах теплоотвода; 1 — принудительное воздушное охлажде-
ние в герметичном корпусе; 2 — принудительное воздушное
охлаждение в негерметизированном корпусе; 3 — естественное
воздушное охлаждение в герметизированном корпусе; 4 —
естественное воздушное охлаждение в негерметизированном
корпусе

V расхода воздуха при принудительном способе охлаждения блока объемом
20 дм3 = 0,02 м3 (А^ф = 0,6 и Х'И = О,76), мощность рассеяния Ррас =100 Вт.

По номограмме (см. рис. 4.60), 53 = 0,35 м2, q = 285 Вт/м2.

Д&у, М3/(^-Вт)

0,3

0,8

Рис. 4.62. График прибли-
женной оценки расхода
воздуха AGB в случае при-
нудительной конвекции

0,7
0,5
0,5
о,и
0,3
0,2
0,!

tO 20 30 U0 53 Atg,° О

О

По графикам (см. рис. 4.61), Д/3 = 36-г48°С
для естественного воздушного охлаждения в
герметичном корпусе и Л/в = 10-г36°С для при-
нудительного воздушного охлаждения также в
герметичном корпусе.

При принудительном охлаждении расход
воздуха Gy = 22 м3/ч (рис. 4.62).

Практика показывает, что аппаратура
в нормальных условиях при естественном
воздушном охлаждении может создавать
тепловой поток до 0,25 Вт/см2 охлажда-
емой поверхности при допустимом пере-
греве поверхности корпуса 30°С и макси-
маль температуре воздуха 50°С. При
х условиях блок объемом 1 дм3 и
площадью поверхности 600 см2 можно
рассчитывать на мощность 15—30 Вт.

На рис. 4.63 представлена зависимость
перегрева корпуса радиоэлектронного
аппарата от удельной мощности рассея-
ния внутри него при следующих допуше'
ниях: а) корпус аппарата окружен не-
Глава 4. Основы конструирования стационарных ЭВМ 269
одвижным воздухом при нормальном давлении и температуре
?5°С' б) режим считается установившимся; в) корпус аппарата
имеет прямоугольную форму с отношением ширины к высоте 3:1.
И Естественное воздушное охлаждение ухудшается с уменьше-
нием давления воздуха. На рис. 4.64 представлена зависи-
мость теплопередачи кР (в относительных единицах) от высоты
/г над уровнем моря.

Рис. 4.63. График зависи-
мости перегрева корпуса
аппарата от мощности рас-
сеяния внутри него

Рис. 4.64. График зависи-
мости теплопередачи есте-
ственной конвекцией от
высоты над уровнем моря

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от
мощности выделяемой аппаратурой во время работы в виде
теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади
его поверхности. Некоторое улучшение охлаждения можно полу-
чить искусственным увеличением площади поверхности корпуса,
например введением специальных ребер —радиаторов. Суще-
ственное улучшение теплового режима достигается введением
специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке
корпуса машины. В этом случае в машину извне поступают
холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через
отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия
следует предусматривать и в боковых стенках корпуса машины,
оформляя их в виде жалюзи. Эффективность использования
жалюзи и вентиляционных отверстий падает с уменьшением
давления окружающего воздуха, т. е. с увеличением высоты
над уровнем моря. Так, если на уровне моря уменьшение
перегрева за счет применения жалюзей оценивается в 33%,
то на высоте 6 км над уровнем моря оно уменьшается до
15%, на высоте 12 км —до 6%, на высоте свыше 12 км жалюзи
не уменьшают перегрев.

При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод
°т внутренних полостей корпуса ЭВМ осуществляется дви-
жущимися потоками воздуха, объем и скорость движения
Которых определяются специальными устройствами, как пра-
Рис. 4.65. График зависи-
мости расхода воздуха
(мощность рассеяния 1 кВт)
от температуры

и деталей аппаратуры

вило, вентиляторами. При этом охлажда-
ются элементы, выделяющие теплоту'
и промежуточные теплоносители, На’
пример вода, используемая для охлаж-
дения особо теплонагруженных узлов
Чем ниже температура охлаждающего
воздуха и выше скорость его движения
тем эффективнее принудительное воз-
душное охлаждение. Воздух, поступаю-
щий в полость машины, должен быть
сухим и чистым, иначе он может вывести
из строя охлаждаемые элементы и узлы.
Для выполнения этого требования при-
меняют специальные фильтры-сушите-
ли, пройдя через которые воздух по-
ступает в машину. Зависимость расхо-
да воздуха G, необходимого для мощ-
ности рассеяния 1 кВт, от его темпе-
ратуры t при допустимом нагреве узлов
не выше 80°С представлена на рис. 4.65.

С увеличением высоты температура окружающего воздуха умень-
шается, вследствие чего эффективность охлаждения увеличивается.
Это компенсирует общее уменьшение объема забираемого воздуха
вследствие падения давления. Однако на высоте выше 15000 м сни-

жение температуры воздуха не компенсирует уменьшение давления.

Тепловой расчет для случая принудительного воздушного
охлаждения менее точен, чем для других способов передачи

теплоты, из-за следующих причин:

а)	практически невозможно рассчитать скорость воздуха в
каждой точке теплового потока. Эта скорость зависит от мощ-
ности вентилятора, площади поперечного сечения теплового
потока и степени чистоты (гладкости) охлаждаемой поверх-
ности;

б)	уравнения для случая принудительного воздушного охла-
ждения основаны на эмпирических данных, полученных для
элементов правильной геометрической формы.

В современной микроэлектронной аппаратуре редко встре-
чаются идеальные плоскости, сферы или цилиндры. Поэтому,
используя те или иные методики расчета принудительного
воздушного охлаждения, разработчик ЭВМ должен проверять
полученные результаты, макетируя отдельные устройства

машины.

Количество теплоты, отводимое при принудительной кон-
векции в негерметизированном корпусе может быть рассчитано
по формуле


де сД-удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); JV—коли-
чество воздуха, кг; ДТ—разность температур корпуса и окружа-
ющего воздуха, °C.

Количество воздуха, необходимое для отвода заданного
количества теплоты и эквивалентное мощности,’ выделяемой
в ЭВМ, находится из выражения

fuz = (0,0795P)A7’,

где W— количество воздуха при плотности 1,2 кг/м3; Р— мощ-
ность, выделяемая в изделии, кВт; ДТ—средняя разность
температур изделия и окружающей среды, °C.

Для ориентировочного расчета по опытным данным можно
принять, что для отвода 1 кВт мощности необходимо про-
гонять 1,36 кг/мин воздуха.

Вентилятор необходимого типа, производительности и напора
выбирается в зависимости от значения W (м3/мин) и сопро-
тивления данного воздушного тракта —статического давления
(мм вод. ст.).	\

Теплопередача конвекцией, как правило, дополняется дру-
гими видами теплообмена —теплопроводностью и излучением.
Однако когда в качестве основного вида выбирается конвек-
ция, тепловое конструирование ведется только в расчете на
нее, причем теплопроводность и излучение теплоотводов изде-
лия учитываются соответствующими коэффициентами.

При организации принудительной конвекции в ЭВМ в связи
с индивидуальным характером их применения используются
автономные способы подачи воздуха вентиляторами.

Основными факторами выбора вентиляторов для ЭВМ явля-
ются: производительность, габаритные размеры и средний
уровень шума. В ЭВМ применяются, как правило, вентиляторы
осевого типа, имеющие оптимальное сочетание указанных
факторов, предназначенные для эксплуатации в условиях уме-
ренного климата и имеющие исполнение «У», категорию 4,2.
Вентиляторы пригодны для работы как в горизонтальном, так
и в вертикальном (крыльчаткой вверх) положениях. Параметры
вентиляторов, применяемых в ЭВМ, приведены в табл. 4.7.

Вентиляторы выпускаются с фланцевым креплением, напри-
мер типа ВВФ и с креплением посредством основания типа
ВВО. Вентиляторы с фланцевым креплением имеют в плане,
как правило, квадрат. В обозначении указываются вначале раз-
меры стороны фланца, а затем размер высоты. Все вентиля-
торы рассчитаны на работу при напряжении 220 В и частоте

Важное значение при выборе вентиляторов имеет фактор
Шума; изделие с уровнем шума более 60 дБ не разреша-
ется применять в ЭВМ. Основной источник шума: в вентиля-
Таблица 4i									
								/	———
		Параметр			Размеры для компо-			Тип и	Масса
					новки, мм			емкость	КГ
Тип								конден-	
вентилятора								сатора	
	произ-	частота	мощ-	сред-	циаметр	сторона	высота		
	води-	враще-	ность	НИЙ	крыль-	фланца	корпуса		
	тель-	НИЯ,	потреб-	уровень	чатки				
	ность,	об/мин	ления,	звука,					
	м3/ мин		Вт	дБ					
ВМ-2	2,5	2200	20	65		129	39		0,6
1.ОЭВ-1.4-	2,3	2500	15	60		115	41	1,5 мФ	
-4-3270	4,7	2500	25	60		140	53	1,5 мФ	
ВВФ-36	0,25					40	32		0,5
ВВФ45	0,35	2800	16	60		50	40		0,6
ВВФ-56	0,45					62	42		0,7
ВВФ-71	0,75	2850	22	55		80	42		0,8
ВВФ-90	1,50	2820	20	55		100	42		0,9
ВВФ-112М	2,30	2720	20	48		120	42	МБГ4	1,0
								),5 мкФ	
								300 В	
ВВО-140М	1,50				140	80	60		1,2
ВВО-180М	3,50				180	80	70	МБГ4	1,3
								1 мкФ	
								500 В	
ВВО-224М	6,50	2310	20	55	224	100	75		1,5
ВВО-280М	10,00				280	100	80		2,0

торах типа ВВО-крыльчатка, в вентиляторах типа ВВФ —под-
шипники. В соответствии с этим принимаются меры для
уменьшения шума. В первом случае уровень шума снижается
за счет уменьшения частоты вращения крыльчатки, т. е.
применения тихоходных двигателей. Во втором случае вместо
подшипников качения в двигателе применяются подшипники
скольжения, например пористая керамика, пропитанная графи-
том. При этом соответственно уменьшается и производитель-
ность этих вентиляторов, но сохраняются на высоком уровне
показатели надежности и ресурсов.

Жидкостно-воздушная система охлаждения. Возможно сочета-
ние в одной ЭВМ различных систем охлаждения, например
принудительного жидкостно-воздушного, как это выполнено
в некоторых высокопроизводительных ЭВМ фирмы «1ВМ»
(США), построенных на БГИС. Эффективность такой системы
охлаждения иллюстрирует рис. 4.66, на котором представлены
различные варианты воздушного охлаждения ЭВМ.

В большинстве ЭВМ серии 360 использовалось принуди-
тельное воздушное охлаждение (рис. 4.66, а), при котором
воздух, подаваемый компрессором, расположенным в нижней
части стойки, проходил снизу вверх, охлаждая ячейки с гибрид-
ными схемами 1.
Рис. 4.66. Сравнение различных принудительных систем воздушного
охлаждения

Вариант с дополнительным компрессором в верхней части
стойки (рис. 4.66, б) увеличивает расход воздуха, снижая тем

самым температуру элементов.

Введение перегородки 3
и дополнительных входа и
выхода воздуха (рис. 4.66, в),
т. е. как бы разделение
системы на две автономно
охлаждаемые части, снижа-
ет температуру в системе
почти в два раза по срав-
нению с вариантом, пред-
ставленным на рис. 4.66, а.

Система воздушного ох-
лаждения, в которой при-
менен многоступенчатый
теплообменник и в каче-
стве вторичного хладаген-
Та используется вода, пред-
ставлена на рис. 4.66, г.
^Десь температура восходя-
щего потока воздуха умень-

Рис. 4.67. Конструкция шкафа с принуди-
тельной жидкостно-воздушной системой
охлаждения
274 Глава 4. Основы конструирования стационарных ЭВМ
шается на трубах водяного охлаждения 2, которые при
крывании шкафа попадают в промежутки между рядами ячеек
с БГИС 3 (рис. 4.67). Воздух нагнетается компрессорами /
расположенными в нижней части шкафа, и откачивается комц
рессорами 1 в верхней части шкафа. Теплообменники 2 q
проточной водой расположены на. дверцах шкафа.

Эффективность применения жидкостных теплообменников
поясняется графиком на рис. 4.66, д, на котором по оси
абсцисс отложено повышение температуры воздушного
потока Аг, а по оси ординат—длина пути h воздушного
потока. Сплошной ломаной линией представлен график изме-
нения температуры воздуха для шкафа с жидкостным тепло-
обменником, пунктирной линией —без теплообменника. Как
видно из графика, эффективность использования жидкостного
теплообменника может быть оценена величиной порядка 30°С
что является решающим при выборе системы охлаждения’

Результаты сравнения четырех типов систем охлаждения
(см. рис. 4.66, а—г) при одинаковых условиях работы для
электронных систем приведены на графиках рис. 4.68, где

Рис. 4.68. Графики зависимости
температуры р-л-перехода крис-
таллов БГИС от выделяемой
мощности для различных систем
охлаждения:

1—4 — соответственно для рис. 4.66.
а — г

представлены зависимости температуры р-л-перехода кристал-
лов в БГИС от мощности, выделяемой БГИС в ячейке.
В результате сравнения можно сделать вывод, что система
охлаждения, показанная на рис. 4.66, г, является наиболее удач-
ной, однако в каждом конкретном случае конструктору необ-
ходимо подходить к проблеме теплоотвода творчески и выби-
рать устройство воздушного охлаждения в зависимости от
особенностей системы, в которой оно будет использоваться.

§ 4.7

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЭВМ

Конструкционная система ЕС ЭВМ. ЕС ЭВМ являются
самыми массовыми машинами средней и высокой производи'
тельности. Все технические средства ЕС ЭВМ строятся по
иоДУльному ПРИИЦИПУ’
причем конструктив-
ные параметры моду-
лей всех уровней стан-
дартизованы.

Конструкционная
гистема технических
Средств ЕС ЭВМ со-
стоит из пяти уров-
ней: интегральная схе-
ма типовой элемент
замены (ТЭЗ), панель,
рама, стойка.

Наибольшее рас-
пространение в ЕС
ЭВМ получили интег-
ральные схемы ТТЛ се-
рий К155, К131, К158,
К555, К531; ЭСЛ се-
рии К500, резисторные
блоки Б20, резисторно-
конденсаторные блоки
Б20-4, конденсаторные
блоки Б18А. У казан-

Рис. 4.69. Конструкция ТЭЗ ЕС ЭВМ:

1 — разъем СНП 34-135; 2— многослойная печатная
плата; 3 — ИС; 4 — места возможной установки кон-
денсаторов КМ-5-Н90-0,047 мкФ; 5 — лицевая план-
ка; 6 — конденсаторы К53-4-15-6.5 мкФ; 7—конден-
сатор КМ6-Н90-1 мкФ

ные элементы размещаются в корпусах типов 238.16-1, 201.16-1,
201-16-6, 238.24-2.

Типовой элемент замены (ТЭЗ) выполняет операции логи-
ческого преобразования- информации с частью разрядов обраба-
тываемого «слова». Основу конструкции ТЭЗ (рис. 4.69) составляет
двусторонняя или многослойная печатная плата (МПП) раз-
мером 150 X140 мм. Применение МПП обусловлено исполь-
зованием быстродействующих ЭСЛ ИС с высокой степенью
интеграции. МПП имеет восемь печатных слоев, разделяющихся

по назначению на логические, потенциальные и защитные.
На каждом логическом слое размещается 350—400 печатных
проводников связей.

Каждый потенциал питания ТЭЗ (- 5,2; - 2; 0 В) подво-
дится к своему «персональному» печатному слою. Потенциаль-
ный слой - 5,2 В совмещен с внешним защитным слоем,
Рисунок цепи питания -2,0 В и нулевого потенциала (земля)
выполнен на слоях в виде сетки проводников с шагом 1,25 мм.

На плате ТЭЗ размещаются трехрядный разъем типа
снп 34—135 на 135 контактов, до 60 корпусов ИС, имеющих
свое позиционное обозначение, лицевая планка и конденса-
т°Ры. Все электрорадиоэлементы устанавливаются с одной
стороны печатной платы. Максимальная высота установленных
На плате элементов 8,5 мм. В целях защиты элементов и
печатной платы от влаги ТЭЗ покрывается лаком УР-231
Общие габаритные размеры ТЭЗ 165X144X14,5 мм.

Готовые ТЭЗ размещаются в панелях двух типов: А—Ло
40 ТЭЗ и Б—до 18 ТЭЗ (рис. 4.70). В панели типа А ТЭЗ
располагаются в два ряда. В каждом ряду может быть уСТа.
новлено до 20 ТЭЗ с шагом 15 мм. В панели типа Б ТЭЗ

Рис. 4.70. Конструкция панели типа А (а) и типа Б (5):

/ — плата; 2—зона размещения разъема под установку ТЭЗ; 3 — кре-
пежные отверстия; 4 — зоны размещения разъемов для внешних связей

располагаются в один ряд с шагом 17,5 мм. Монтаж между
выводами ответных частей ТЭЗ, установленных на плате пане-
лей, осуществляется методом накрутки. Периферийные разъемы
панели типа А предназначены для осуществления внешних
связей панели с другими панелями. Их использование позво-
ляет выполнить разъемным объединение панелей. В каждом
периферийном разъеме (СНП 34—135) используется до 80 логи-
ческих контактов под внешние связи, которые выполняются
плоским кабелем типа ПВПмс75. Расположение разъемов для
внешних связей по периферии панели имеет большое значе-
ние для равномерного распределения внутренних связей в пре-
делах платы панели.

Рама предназначена для размещения панелей и организа-
ции межпанельного электромонтажа. Конструктивной основой
рамы является каркас, сваренный из специальных алюминиевых
профилей. В каждой раме предусматривается установка рамных
шин питания и вентиляторов для охлаждения. По характеру
крепления в стойке рамы подразделяются на рамы с жестким
креплением и подвижные. В типовой раме может размещаться
либо шесть панелей типа А, либо 12 панелей типа Б. Панели
устанавливаются в раму с ее монтажной стороны (рис. 4.71)-
По лицевой стороне рамы между панелями предусмотрены
специальные кабельные каналы, предназначенные для разме-
щения межпанельных связей, выполненных плоским кабелем,
кабельные каналы в раме максимально приближены к плос-
кости платы панели. Габаритные размеры типовой рамы
gOO X 1400 X 200 мм.

Стойка предназначена для размещения рам, шин питания
п организации межрамного электромонтажа. Конструктивной
основой типовой стойки является металлический каркас сборно-
сварного типа, на который с торцов навешиваются щиты, а с
передней и задней стороны— открывающиеся двери. Стойка
оборудуется замками несанкционированного доступа. Типовая
стойка ЕС ЭВМ (рис. 4.72) содержит три рамы А, В и С,
из которых крайние А и С—подвижные (поворотные), а сред-

Рис. 4.71. Схема размещения панелей
в раме:

1 ~ ТЭЗ; 2—панель А; 3—панель Б; 4 —
вентиляторы охлаждения

Рис. 4.72. Конструкция типовой стой-
ки ЕС ЭВМ (вид сверху):

/ — рамы; 2—открывающиеся двери; 3 —
монтажная сторона рамы; 4 — направления
установки ТЭЗ; 5—оси подвески дверей;
б—оси подвески подвижных (поворот-
ных) рам; 7—съемные торцовые щиты

няя В жестко закреплена на стойке. В торцовой части стойки
Размещается рама D, предназначенная для осуществления меж-
Рамных соединений, выполняемых плоским кабелем. Кроме
того, на раме D располагаются пакеты стоечных шин питания
и переходные блоки разъемов для подключения внешних
связей стойки.

Габаритные размеры типовой стойки ЕС ЭВМ равны
1200Х 1600X800 мм. Однако некоторые технические средства
ЕС ЭВМ оформляются в стойках других размеров. В табл. 4 о
приведены размеры стоек некоторых устройств ЕС ЭВМ. 6

В ЕС ЭВМ принята система принудительного воздущНог
охлаждения вентиляторами типа 1,25эВ-2, 8-6-3270, устанав-
ливаемыми по восемь штук на раму (по • четыре вентилятора
сверху и снизу).

Таблица 4.8

Тип устройства	Назначение	Габаритные размеры, мм		
		L	И		—-  в
ЕС-2622	Процессор	1200	1600	800
ЕС-2632	»	1024	1440	880
	Оперативная память (256 К байт)	1024	1440	540
ЕС-2640	Процессор	1160	1740	750
ЕС-3204	Основная оперативная память	1610	1740	733
ЕС-2050	Процессор	1200	1600	860
ЕС-3205	Оперативная память			
ЕС-5012	Накопитель на магнитной ленте	900	1800	700
ЕС-5017	То же	790	1600	750
ЕС-5022	»	900	1600	800

Конструкционная система СМ ЭВМ. Семейство малых ЭВМ
(СМ ЭВМ)— агрегатная система технических и программных
средств вычислительной техники, связанная рациональной
совместимостью и унификацией системных, архитектурных и
конструктивных решений, предназначенная для построения
управляющих вычислительных комплексов для автоматизации

Рис. 4.73. Конструкция комплектного бло-
ка СМ ЭВМ:

а — встраиваемый; б—настольный; / — блоки
ячеек; 2—плоским сигнальный кабель; 3 — ка-
бель питания; 4 — направляющий элемент;
5—блоки питания; б—несущая часть каркаса:
7—ролик; 8 — блок вентиляторов; 9 — лицевая
панель с клавиатурой

технологических процес-
сов и агрегатов, научных
исследований, расчетов и
проектирования.

В настоящее время ши-
рокое распространение по-
лучили машины СМ ЭВМ
первой очереди, разраба-
тываются модели семей-
ства второй очереди. Кон-
струкцию СМ ЭВМ обра-
зует четырехуровневая
система ИС —ячейка у
комплектный блок — стои-
ка (стол, подставка). В ка'
честве логических элемен;
тов в СМ ЭВМ первой
пЧереДИ используются
йС транзисторно-тран-
асторной логики серий
К155, К131, К531, К158.
14 Ячейки выполняются
вИде вдвижных печат-
ных плат с разъемами
и электрорадиоэлемента-
ми, которые затем мон-
тируютсд в комплектные
блоки. Комплектные бло-
ки (рис. 4.73) - функ-
ционально законченные
устройства, имеющие ли-
цевую панель с клавиа-
турой и органами инди-
кации, каркас с установ-
ленными на нем блока-
ми ячеек, индивидуаль-
ными блоками питания и
вентиляторами. Электро-
питание подводится ка-
белем, а ввод и вывод
сигналов — плоским ка-
белем. Комплектные
блоки выполняются во
встраиваемом (рис. 4.73, а)
и настольном (рис. 4.73, 6)
исполнениях. Встраивае-

3:

Рис. 4.74. Конструкция стойки СМ ЭВМ-1

мые в стойки комплектные блоки имеют направляющие эле-

менты-ролики, обеспечивающие свободное перемещение блока
по направляющим стойки. В настольном исполнении ролики
снимаются, блоки закрываются кожухом с вентиляционными
окнами и при необходимости устанавливаются ножки.

Габаритные размеры комплектных блоков следующие: глу-
бина Lmax=720 мм (с дискретностью 60 мм); высота 77=132,5;
177; 221,5; 265,9; 310,3; 354,8; 399,2; 443,7; 488,1; 532,6 мм.

Стойка (рис. 4.74) является несущей конструкцией и пред-
назначена для произвольного размещения, конструктивно-худо-
жественного объединения и механической защиты комплект-

ных блоков 1, элементов системы питания и вентиляции.
Стойка снабжена специальными направляющими 5, позволя-
ющими осуществлять плавное перемещение комплектных блоков
в стойке, сетевым коробом 4, в котором размещены кабели,
сетевые фильтры электропитания и розетки 3. Для произ-
вольного размещения комплектных блоков предусмотрены от-
верстия с определенным шагом по вертикали U, которые
позволяют крепить направляющие в соответствии с требуемым
размещением блоков. Для удобства доступа к комплектным бло!
кам, находящимся в стойке, предусмотрены быстросъемныё
боковые обшивки 2 и задняя дверь.

Габаритные размеры стойки следующие: высота Н= 12qq.
1600; 1800 мм; размер окна в стойке Н\ = Ю70 (24U); Юп
(33U); 1692 (38U); ширина 5=600; 800 мм.

Стол (несущая конструкция с горизонтальной рабочей поверх,
ностью) (рис. 4.75) предназначен для организации рабочего
места оператора, размещения и электрического объединения
технических средств СМ ЭВМ, не встраиваемых в стойки

Габаритные размеры столов следующие: длина £=600-
1200; 1800 мм; высота Я=680, 750 мм; ширина 5 = 600, 800 мм’

Подставки (рис. 4.76) выполняют те же функции, что и
столы. Для подставок в отличие от столов предусмотрена
возможность изменять высоту рабочей поверхности от 650 до
900 мм.

Конструкционная система технических средств СМ ЭВМ
второй очереди построена также по четырехуровневой схеме:
ИС (в том числе и микропроцессорные) —плата —каркас блока
автономного —стойка (тумба, стол, подставка). В СМ ЭВМ
второй очереди предпочтительными являются платы четырех
типоразмеров: Е\ —100,0X160 мм, Е2—233,35X220 мм, £3-
233,35X160 мм, £4-100,0X220 мм.

Основные размеры каркасов блоков автономных встраиваемых
типа А1 и приборных типа А2 приведены в табл. 4.9, а их
конструкция — на рис. 4.77, а, б.

Стойки и тумбы, предназначенные для установки в них
блоков автономных типа А1, (рис. 4.78) должны иметь высоту
32U—1600 мм и 36U—1800 мм (для стойки), 655; 725 или
880 мм (для тумбы).

Для стола (рис. 4.79) переменным является размер £=1000;
1200 или 1400 мм, а для подставки (рис. 4.80) —размер Я==
= 655; 725 или 880 мм.

Конструкционная система микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ вслед-
ствие своего широкого применения практически во всех сферах
деятельности человека труднее всего поддается унификации
конструкции. В отличие от ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, область
применения и назначение которых однозначно определены,
микро-ЭВМ могут быть выполнены во встраиваемом исполне-
нии и тогда их конструкция должна отвечать требованиям
управляемой ею аппаратуры, а также в виде автономного бло-
ка, в данном случае их конструкция должна отвечать общим
требованиям, предъявляемым к традиционным средствам
вычислительной техники.

Учитывая это, а также на основе анализа конструкций раз-
работанных и применяемых микро-ЭВМ создана конструкцией-
Рис. 4.76. Конструкция подставки
СМ ЭВМ-1

Рис 4.75. Конструкция стола
СМ ЭВМ-1

Рис. 4.77. Конструкция каркасов блоков авто-
номных СМ ЭВМ типа А1 (а)'и А2 (6):

Ь — зона размещения направляющих

Рис. 4.78. Кон-
струкция стойки
СМ ЭВМ-П

Рис. 4.79. Конструкция стола
СМ ЭВМ-П

КОП	800

Рис. 4.80. Конструкция
подставки СМ ЭВМ-П



L
Таблица 4 g

Тип панели	Габаритные размеры, мм			
	^тах	h		L	 "	
			Al	А2
3U	132,5	96,5		
4U	177,0	141,0		300
5U	221,5	185,5	360	360
6U	265,9	230,0	420	420
7U	310,3	274,5	480	480
8U	354,8	319,0	540	540
9U	399,2	363,5	600	600
10U	443,7	408,0	660	660
пи	488,1	452,0		720
12U	532,6	496,5		

ная система микро-ЭВМ (табл. 4.10), состоящая из пяти уров-
ней. На нижнем уровне 0 находятся ИС (в табл. 4.10) не пока-
заны); следующие уровни: плата, корпус частичный, корпус
комплектный — имеют каждый в своем составе модификации,
дополняющие тот или иной уровень и обогащающие всю
конструкционную систему микро-ЭВМ.

Распространенными типоразмерами печатных плат для микро-
ЭВМ являются 4U= 144,5 X 160 (220) мм и 8U = 322,3 X 160 (220) мм.

Рис. 4.81. Г рафики зависимости площади печатной
платы и числа устанавливаемых на нее элемен-
тов от выбранных размеров
Уровень	Базовые конструкции и их модификации	Схема входимости				Общий вид модифи- каций базовых конструкций
I	Плата					А	м	I
						
II	Корпус частичный 1. Плата с рычагами 2. Плата с панелью 3. Корпус частичный 4. Корпус коробча- тый					
						
						
						
						
						
'Гв&лмиж ААм

Элементная система базовых конструкций						Функциональная система базовых конструкций							
актив- ные	пассив- ные	оперативные		соеди- нитель- ные	мон- таж- ные	с	ячейка	4) Q Q  К	блок	шкаф	пульт	устройство  	 		.	—1	S 4)  S
		инди- кации	управ- ления										
ИС; БИС	R; С; L	СИД;  ЖКИ;  ЭЛТ	ПК; кл	магист- раль- ные;  интер- фейс-  ные	печат- ные; про- вод- ные								
+	+	+	+	+	+	+	+						
+ +	+ + + +	+ +	+  +	+ +	+ + + +		+ + +	+	+ +			+ + +.  +	+
1	Уровень	I	Базовые конструкции и их модификации	Схема входимости				Общий вид модифи- каций базовых конструкций		
III	Корпус комп- лектный  1.	Корпус (панель)  2.	Каркас  3.	Корпус (кожух)  4.	Корпус составной					здз		
					—<			
IV	Корпус комп- лексный  1.	Корпус шкафа  2.	Корпус стойки  3.	Стол  4.	Тумба					и  2-  «К	if-  Г 'Л	
		—>•						
Элементная система			базовых	конструкций		Функциональная система базовых конструкций							
актив- ные	пассив- ные	оперативные		соеди-	мон- таж-								
		инди- кации	управ- ления	ные	ные								
ИС; БИС	R; С; L	СИД;  ЖКИ;  ЭЛТ	ПК; кл	магист- раль- ные;  интер- фейс- ные	печат- ные; про- вод- ные	§	ячейка	4) и и Я	блок	шкаф	пульт  1	_	устройство	я S 4)  и S V
													+
		+ +	+ +	+ + + +	+ + + +				+ + + +		+ + +	+ + + +	
													+
				+ + + +	+ + + +					+ + +	+ + + +	+ + + +	
Однако уже разработаны микро-ЭВМ с размером Z7=2U и уве-
личенных размеров В. На рис. 4.81 приведены графики, по
которым можно установить площадь печатной платы 5* (см2)
и количество условных ИС, приведенных к корпусу с 16 вы-
водами, в зависимости от принятых размеров Н и В.

Печатная плата (уровень 1) при определенных условиях
может поставляться потребителям самостоятельно. На рис. 4.82

Рис. 4.82 Конструкция печатной платы (8U)
микро-ЭВМ:

/ — сторона платы, предназначенная для размещения
элементов: 2—места для направляющих (элемен 1ами и
печатными проводниками не занимаются, лаком не по-
крываются); 3 - место для соединителей внутреннего
монтажа: '/—место для соединителей внешнего

монтажа

приведен пример печатной платы микроОВМ основного типо-
размера /7=811. В табл. 4.11 даны характеристики, компоновки
и обозначения, приведенные на рис. 4.82. Индексом ХТ1
обозначено место установки первого соединителя (разъема),
оно постоянно для любых размеров ПП. В табл. 4.11 при-
ведены для сравнения компоновочные характеристики печатных
плат 4U и 9U.

Типоразмеры частичных корпусов формируются из стандарт-
ных рядов, соответствующих одновременно рядам уровня I и
Таблица ц ,

Параметры печатной платы	Типоразмеры		
	4U	8U	,и
Габаритные размеры, мм	144,5 X 220	322,3 X 220	Зоб,/ X 220
Общая площадь, см2  Площадь поверхности для компо-	318	709	806
новки элементов, см2 Наибольшее число устанавливае-	2б0	561	629
мых ИС 16  Плотность компоновки элементов,	40	88	100
см2/ИС 16  Соединители внутреннего монтажа,	8	8	8
тип/количество Соединители внешнего монтажа,	СНП34/1	СНП34/2	СНП59/2
тип/количество	СНП34/1	СНП34/2	СНП59/2
Шаг координатной сетки, мм		1,25 (0,625)	к

уровня II, что обусловливает их промежуточное положение.
В существующих микро-ЭВМ применяются два стандартных
типа конструкций частичных корпусов. Частичный корпус пер-
вого типа, содержащий в себе одну или две ПП, компону-
ется, как правило, в комплектный корпус или кожух. Частичный
корпус второго типа используется преимущественно для
компоновки вторичных блоков питания ЭВМ, размещаемых
также в комплектных корпусах стандартного или нестандарт-
ного вида, совместно с частичным корпусом первого типа.
В этих компоновках размеры L и Н определяют основные
размеры передней панели частичного корпуса. Выбор типораз-
меров в этом случае и компоновка конструкционной системы
в комплектном корпусе заключаются в выборе размеров L и
Н, соответствующих ПП, и комплектных корпусов и разме-
щении передней панели определенной длины (или эквивалент-
ного ей шага) в проеме комплектного корпуса, равном L-
= 420 мм (табл. 4.12). Частичный корпус такого вида электри-
чески сочленяется с магистралью комплектного корпуса посред-
ством соединителей, установленных на ПП или самом частич-
ном корпусе. Причем для обеспечения совместимости существу-
ет взаимосвязь между осевыми линиями ПП, направляющих
соединителей и отверстиями для крепления передних панелей
(рис. 4.83). Примеры компоновки частичного корпуса с перед-
ней панелью представлены на рис. 4.84.

В последние годы получили широкое распространение кон-
струкции частичных комплектных корпусов без развитой перед-
ней панели (кассеты). Эти конструкции компонуются внутри
комплектных корпусов в вертикальном или горизонтальном
положении. При этом основными размерами конструкции час-
Таблица 4.12

тдина L, мм, перед- ней панели (шаг меСт для частичного корпуса)	Число частичных корпусов, разме- щаемых в комп- лектном корпусе, L =420 мм	Число модулей в частичном корпусе при шаге размещения, мм					
		2,5	5,0	10,0	15,0	17,5	20,0
10,0	42	4	22	1						
15,0	28	6	3	—	1	—	—
17,5	24	7	—	—	—	1	—
20,0	21	8	4	2	—	—	1
30,0	14	12	6	3	2	—	—
35,0	12	14	7	—	—	2	—
40,0	10*	16	8	4	—	—	2
52,5	8	21	—	—	—	3	—
60,0	7	24	12	6	4	—	3
70,0	6	28	14	7	—	4	—
80,0	5+	32	16	8	—	—	4
105,0	4	42	21	—	7	6	—
140,0	3	56	28	14	—	8	7
210,0	2	84	42	21	14	12	—
315,0	1**	126	63	—	21	18	—
420,0	1	168	84	42	28	24	21

* Остаток 20 мм.

** Остаток 105 мм.

тичного корпуса принимаются размеры,' определяемые непосред-
ственно для его направляющих. Это обеспечивает монтаж
частичных корпусов в комплектных по соответствующим направ-
Рис. 4.84. Примеры конструкции корпуса ча-
стичного с передней панелью:

/, 9—рама; 2—ИС: 2 —зона крепления платы с ра-
мой; 4- зона размещения контактов, разъема; 5 —
передняя панель; 6- рычаг; 7—передний разъем;
8 — крепежные винты; 10 — печатный разъем: 11 -
центральный крепежный винт; 12— разъем на пе-
редней панели

ляющим по стандартной
схеме компоновки. Вмес-
те с тем частичный кор-
пус без передней пане-
ли может компоноваться
самостоятельно в различ-
ных вариантах, например
на столе оператора.

Кассеты имеют, как
правило, свои кросспла-
ты. Электрическое со-
единение кассеты с
комплектным корпусом
осуществляется с помо-
щью соединителей, ус-
танавливаемых на кросс-
плате. Пример компонов-
ки кассеты приведен на
рис. 4.85. Количество ПП
в кассете и, следователь-
но, толщина ее выбира-
ются из условий полного
заполнения комплектно-
го корпуса по высоте и
организации эффектив-
ного охлаждения ПП в
кассете (при горизон-
тальной компоновке).
При этом шаг ПП может
выбираться из ряда 15;
17,5; 20 мм в зависимос-
ти от высоты функцио-
нальных элементов и
мощности ПП.

Толщина частичного

корпуса L определяет при горизонтальной компоновке высоту
комплектного корпуса. Естественно, таким образом, принятие
этого размера и соответствующих размеров Н комплектного
корпуса такими, чтобы одни и те же комплектные корпуса
могли быть использованы для компоновки частичных корпусов
как в горизонтальной, так и в... вертикальной компоновках.
Анализ частичного корпуса с шагом печатных плат, кратным
модулю 3 и 4, показывает, что этому уровню лучше других

соответствуют типоразмеры частичных корпусов, содержащих
4 и 8 ПП, и типоразмеры комплектных корпусов 4U и 8U.
Образование типоразмеров обычных (шкафных) комплектных
корпусов и их модификаций подробно рассмотрено ранее.
Рис. 4.85. Пример конструкции кассеты

Следует отметить, что при любой компоновке комплектного
корпуса обязательно следует соблюдать стандартные решения,
обеспечивающие ему установку в проем комплексного кор-
пуса-корпуса шкафа, тумбы, кожуха, а также установку не-
посредственно на столе.

Особые требования предъявляются к микро-ЭВМ, эксплуати-
руемым в тяжелых условиях, например в металлообрабатыва-
ющем оборудовании. Конструкция такой микро-ЭВМ в герме-
тичном корпусе выполняется с различными дополнительными
элементами в зависимости от общей мощности и возможных
средств охлаждения в двух вариантах. В микро-ЭВМ «Электро-
ника НЦ-31» (рис. 4.86) используется двухконтурная система
охлаждения, организуемая методами естественной конвекции
и теплопроводностью внутри корпуса. В этой микро-ЭВМ
ПП оснащаются дополнительными деталями —тепловыми
экранами и деталями, облегчающими отвод теплоты с ИС
На кожух комплектного корпуса. Все ячейки ЭВМ, в том

Ю—850
01	О'ОЮ

Рис. 4.86. Конструкция микро-ЭВМ «Электроника НЦ-31»:
а— общий вид; б—вид со снятыми стенками и крышкой

числе клавиатурная, скомпонованы на печатных платах типо-
размера 366,7X220 мм. Клавиатура вынимается из корпуса
спереди. Остальные ячейки вынимаются вверх при снятой
крышке. Кроме теплообмена в этой компоновке большую про-
блему составляет вывод значительного количества внешних
связей и обеспечение герметичности корпуса, что требует
применения уплотнений, в том числе и для соединителей
2РМГ30.

В микро-ЭВМ «Электроника МС-2101» (рис. 4.87) исполь-
зуются такие же, как и в предыдущем тйпе микро-ЭВМ,
типоразмеры печатных плат, однако они занимают в комплект-
ном корпусе вертикальное положение. Для улучшения усло-
вий теплообмена ячеек во внутреннем корпусе применены
вентиляторы типа ВВФ 112М. Воздух, нагретый элементами
ячеек, всасывается вентиляторами и подается на выполненную
с ребрами изнутри и снаружи крышку, плотно соединенную
с корпусом. Охлажденный от крышки воздух поступает вновь
в межплатное пространство. При этой компоновке имеются
Рис. 4 87. Конструкция микро-ЭВМ «Электроника
МС 2101»

резервы' теплообмена за счет применения специальных дета-
лей и тепловых экранов и клиньев, охлаждаемых воздухом.
Пример компоновки ПП в комплектном корпусе по стандарт-
ной схеме в вертикальном положении приведен на рис. 4.88.

ЭВМ «Электроника Тонус НЦ-01», предназначенная для пси-
хофизиологического тестирования операторов, скомпонована в
Переносном чемодане типа «дипломат». Две печатные платы —
Микропроцессор и память — располагаются горизонтально под
Панелью управления (рис. 4.89). Небольшая мощность ЭВМ
Позволила исключить принудительный обдув ПП.

Комплексные корпуса, определяющие уровень IV конструк-
ционной системы микро-ЭВМ, состоят из четырех модифика-
ции (табл. 4.13). Все они широко применяются в компоновках
микро-ЭВМ по стандартной или по индивидуальной схеме.
1
Рис. 4.88. Компоновка частичных корпусов в комплектном корпусе
микро-ЭВМ в вертикальном положении

Рис. 4.89. Компоновка микро-ЭВМ «Электроника Тонус НЦ-01»

Базовым модулем уровня IV конструкционной системы явля-
ется тумба. Тумба и ее модификации (табл. 4.14) участвуют
в различных компоновках других модификаций базовых кон-
струкций уровня IV конструкционной системы. Так, например,
тумба может непосредственно участвовать в образовании
корпуса шкафа, стойки (рис. 4.90).
Таблица 4.13

Модификации конструкции
комплексного корпуса

Габаритные размеры,
мм

наимено-
вание

Тумба

Стол

Корпус
шкафа,
стойки

Каркас

общий вид

Исполнение. <

550

585

600

800;

1200;

1600

700;
800

800

550

800;

1000;

1200;

1400;

1600;

1800

600

550

1600;

1800

600

Компоновка тумбы и
мостью модулей уровня
лектным корпусом Ш.

корпуса шкафа оценивается вмести-
III конструкционной системы —комп-
Наибольшее количество модулей в

тумбе принимается равным 12 (рис. 4.91). При этом высота
тумбы может быть равной 640 мм, что дает возможность
устанавливать ее, например, внутри стола или рядом со сто-
лом, постоянно выдвигающейся при необходимости.

Количество модулей комплектного корпуса Ш в корпусе
стойки, шкафа определяется его высотой (рис. 4.92).

Как видно из рис. 4.93 и 4.92, тумба и корпус шкафа
имеют одинаковую длину Л=550 мм. Эта величина принята
- из стандартного ряда размеров из условия обеспечения необ-
ходимой жесткости и прочности конструкции. Одинаковая
длина тумбы и корпуса шкафа, укладывающаяся в пространстве
между опорами соответствующего стола (Л = 1200 мм) при
едином стандартном шаге 600 мм, облегчает размещение изделии
Рис. 4.91. Монтаж комплектных корпусов в	Рис. 492 Монтаж комплектных корпусов

тумбе	стойке
уровня IV конструкционной системы на площади рабочей
зоны помещения.

Основные и присоединительные размеры передвижной
тумбы представлены на рис. 4.93. Следует отметить, что тумба
имеет два колеса упрощенной конструкции и две регулируемые

Гис. 4.93. Основные и присоединительные раз-
меры передвижной тумбы

опоры, препятствующие самопроизвольному перемещению. Впро-
чем, колеса и опоры взаимозаменяемы, что позволяет по жела-
нию потребителя установить достаточно просто четыре опоры.
Для перемещения тумба несколько приподнимается со стороны
опор. Такое решение устраняет необходимость применения
тормозящего устройства, что в итоге значительно упрощает
конструкцию. Для открытой временной компоновки часто
сменяемых устройств можно
использовать каркас, по основ-
ным размерам и конструкции
аналогичный корпусу шкафа
(рис. 4.94).

Конструкционная система
КАМАК (САМАС — стандарт
297 МЭК 1975 г.). Конструк-
ционная система КАМАК наи-
большее распространение по-
лучила в научном приборо-
строении. Эту систему харак-
теризует четырехуровневая
структура: ИС —плата печат-
ная — сменный блок — невен-
тилируемый (вентилируемый)
корпус (табл. 4.15).

Конструкционная система
микрокалькуляторов. Самой
массовой разновидностью
ЭВМ являются микрокальку-
ляторы, появление которых
непосредственно связано с
рождением БИС. Отечест-
венной промышленностью
выпускается большое коли-
чество микрокалькуляторов,
предназначенных для . раз-
личных математических рас-
четов — от простейших ариф-
метических до сложных
научно-технических, требу-

Рис. 494. Пример конструкции каркаса
стойки

ющих привлечения техники программирования.

По виду энергообеспечения все выпускаемые микро-
калькуляторы разделяются на две группы: с автономным источ-
ником питания и с питанием от сети переменного тока.
В свою очередь, каждая из групп по функциональному
назначению делится на три подгруппы: простейшие, инже-
нерные и программируемые.

Подгруппа простейших микрокалькуляторов предназначена
для широких масс пользователей: школьников, студентов,
домохозяек, счетных работников и др. Они выполняют четыре
арифметических действия и несложные преобразования (вы-
числение корней, процентов, накопление данных и т. п.).

Инженерные микрокалькуляторы, выполняющие арифмети-
ческие действия, несложные преобразования, вычисление триго-
нометрических, логарифмических, степенных, показательных и
			 Таблица 4.1s				
Уро-	Базовые	Общий вид	Габаритные			Характеристика
вень	конструкции		размеры, мм			применения
			L	Н	В	

1

182,9

305

Плата
печатная

Сменный
блок
(корпус
частичный)

Невентили-
руемый кор-
пус (комп-
лектный
корпус)

Вентилиру-
емый корпус
(комплектный
корпус)

17,0 221,5 290

32,2 max

482,6

221,5

360
min

525
max

Отдельно не при-
меняется

Сменный блок со-
стоит из передней
панели с фиксирую-
щим винтом, полозь-
ев, вилки соединителя
на 86 контактов

Корпус должен со-
держать не более 25
мест для установки
сменных блоков с ша-
гом 17,2 мм и соответ-
ствующее количество
розеток соединения
на 86 контактов

221,5+
+ CU,
где

С—

= 1,2,
и т. д.

И

других функций, предназначены для учащихся старших клас-
сов, студентов, инженерно-технических работников.

Программируемые микрокалькуляторы предназначены для
студентов, ученых, конструкторов, инженеров, использующих
в своих расчетах часто встречающиеся задачи.

В микрокалькуляторах с автономными источниками питания
индикация данных осуществляется на жидкокристаллических
индикаторах.

В микрокалькуляторах с питанием от сети переменного тока
индикаторы более крупные, с ярким свечением.
Таблица 4.16

		-  иикрокалькуля-  1	торы	Обозна- чение	Раз- ряд- ность чисел	Мощ- ность по- треб- ле- ния, Вт	Габаритные размеры, мм	Мас- са, г	Коли- чество кла- виш* управ- ления	Примечание
.—-—  С автономным питанием:							
простейшие	БЗ-39	8	0,001	110X66,5Х ХЮ,5	65	20	
	МК-40	10	0,5	275X90X80	900	30	С цифропе- чатающим уз- лом
	МК-53	8	0,06	95X60X6,9	50	27	С часами, календарем, будильником
инженерные	МК-57  СЗ-15  БЗ-36  БЗ-37  БЗ-38	8  10  12  8  8	0,35 1,0 0,35  0,45 0,006	155X78X28 172X91X32 78,5Х145Х Х17,5 78X155X28 91X55X5,5	300  360  200  300  50	25  26  21  22	
программируе- мые	БЗ-21	12	1,0	185Х100Х  Х43	390	29	60 шагов программы
	БЗ-34	12	0,4	185Х100Х  Х47	390	31	98 шагов программы
	МК-54	12	0,4	67X78X36	250	31	98 шагов программы
С питанием от сети:							
простейшие	СЗ-22  МК-42  МК-44	12  12  12	5,2  6,0  6,0	200X170Х  Х48 212Х175Х  Х75 241Х185Х  Х77	1200  800  1000	22  26  32	
инженерные	МКШ-2  МК-41	8  14	5,0  6,0	250X180Х '  Х78 212Х175Х  Х75	1500  1000	25  37	
программиру- емые	МК-46	12	10,0	285X3 20Х  Х90	2500	32	66 шагов программы
	МК-56	12	3,0	240Х205Х  Х60	3000	31	98 шагов программы
В табл. 4.16 приведены общие технические и конструктив,
ные характеристики некоторых выпускаемых промышленностыц
микрокалькуляторов. Отметим, что микрокалькуляторы с авто-
номным источником питания отличают небольшие габаритные
размеры, масса, мощность потребления; их функционирование
осуществляется одной-двумя БИС.

Стремление получить минимальные габаритные размеры
(особенно толщину), массу, мощность потребления при сохра-
нении достаточной жесткости конструкции, низкой стоимости
и малой трудоемкости в изготовлении заставляет конструкто-
ров микрокалькуляторов искать для каждой конкретной модели
различные пути формообразования деталей и порядка сборки.
При этом минимизируется общее число деталей, образующих
конструкцию микрокалькулятора, а скрепление их одна с другой
осуществляется возможно более простым способом. При этом
унифицированными для различных типов микрокалькуляторов
становятся иногда лишь корпуса БИС, клавиши и блоки ин-
дикаторов.

Поясним сказанное на примере конструкции микрокалькуля-
тора модели МК-51. Первой основной деталью его конструкции
/ ис. 4.95) является двусто-
пнняя печатная плата раз-
мером 118X60 мм с за-
тепленными на ней одной
БИС, двумя резисторами,
двумя конденсаторами и
пластинами — зажимами
аккумулятора. В нижней
части платы размещается
поле контактных площадок,
печатные проводники кото-
рых замыкаются через про-
водящую резину, находя-
щуюся под каждой клави-
шей. Второй основной де-
талью является пластмас-
совое основание с вмонти-
рованным жидкокристалли-
ческим индикатором (рис.
4.96).

Сборка микрокалькуля-
тора осуществляется путем

Рис. 4 96. Пластмассовое основание микро-
калькулятора МК-51

размещения на контактном

поле пластины из проводящей резины, монтажа в окна пласт-

массового основания групп контактов и закрепления платы в
основании семью винтами. Собранная конструкция закрывается
сверху и снизу крышками из штампованного' алюминия
(рис. 4.97). Конструкции других МК с автономным источни-
ком питания имеют незначительные отличия от вышеописанной.

Рис. 4.97. Микрокалькулятор МК-51 в сборе и крышки
Задания для самопроверки

1.	Перечислите основные параметры, характеризующие цифровую интег
ральную схему.

2.	Какие параметры характеризуют микропроцессорную БИС как интег
ральную схему? как вычислительное устройство?

3.	Назовите основные правила размещения микросхем в корпусах различ
ных типов на печатной плате.

4.	Назовите основные правила конструирования ТЭЗ.

5.	Назовите основные правила конструирования элементов второго и
третьего уровней конструктивной иерархии.

6.	Перечислите критерии оптимизации при решении задачи размещения
элементов.

7.	Назовите все методы охлаждения электронно-вычислительной аппара-
туры, расположив их по мере увеличения эффективности теплоотвода.

8.	Обоснуйте аналогию между термическим и электрическим сопротивле-
ниями.

9.	Назовите основные факторы выбора вентилятора для системы охла-
ждения ЭВМ.
fjlABA 5

ЛГНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТИРУЕМЫХ
ЭВМ и СИСТЕМ

Основная особенность эксплуатации ЭВМ на подвижных объектах (же-
лезнодорожных платформах, автомобилях, гусеничном транспорте, самолетах,
ракетах, космических аппаратах) — повышенное воздействие механических
факторов (вибраций, ударов, линейных ускорений). Причем если на одних
объектах действие механических факторов проявляется только в момент
транспортирования или маневрирования (некоторые типы ракет, искусственные
спутники Земли, космические аппараты), то на других вибрации и удары
имеют место практически в течение всего периода эксплуатации. Это накла-
дывает жесткие требования на конструкцию ЭВМ в части воздействия
механических нагрузок и заставляет разработчиков принимать все меры для
исключения их влияния.

Кроме того, транспортируемые ЭВМ должны обладать минимально воз-
можными габаритными размерами, массой и мощностью потребления при
сохранении высоких показателей быстродействия, емкости памяти, надеж-
ности и т. д. Минимальные габаритные размеры достигаются за счет
использования специальных методов компоновки интегральных микросхем.
Однако повышение плотности компоновки приводит к увеличению выделя-
емого удельного количества теплоты, что требует использования высоко-
эффективных методов охлаждения.

§ 5.1

ЗАЩИТА ЭВМ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

На транспортируемую ЭВМ в процессе ее эксплуатации
воздействуют вибрации, ударные нагрузки и линейные уско-
рения.

Гармонические вибрации характеризуются частотой, амплиту-
дой, ускорением.

Ударные нагрузки характеризуются числом одиночных ударов
или их серией (обычно оговаривают максимальное число уда-
ров), длительностью ударного импульса и его формой, мгно-
венной скоростью при ударе, перемещением соударяющихся
тел.

Линейные ускорения характеризуются ускорением, длитель-
ностью, знаком воздействия ускорения.

Возникающие при вибрациях, ударах и ускорениях пере-
грузки оценивают соответствующими коэффициентами.

Для уменьшения воздействия вибраций и ударов микро-
электронную вычислительную аппаратуру устанавливают на
амортизаторы или применяют демпфирующие материалы.

Воздействие линейных ускорений эквивалентно увеличению
Массы аппаратуры и при значительной длительности воздей-
ствия требует увеличения прочности конструкции. Амортиза-
торы от линейных перегрузок практически не защищают.

Как показывает опыт эксплуатации транспортируемых ЭВМ
наибольшее разрушающее воздействие на конструкцию оказы-
вают вибрации. Как правило, конструкция аппарата, выдержавшая
воздействие вибрационных нагрузок в определенном частотном
диапазоне, выдерживает ударные нагрузки и линейные ускоре-
ния с значительно большими значениями соответствующих
параметров. Поэтому проведем лишь анализ устойчивости
конструкции ЭВМ к действию вибрационных нагрузок.

Метод расчета и анализ вибраций. В общем случае кон-
струкцию ЭВМ можно представить в виде сложной колеба-
тельной системы, состоящей из конечного числа простых
механических узлов, обладающих массой т,, закрепленных на
пружинах с жесткостью kt (рис. 5.1). Это разбиение конструкции
ЭВМ на простые колебательные системы упрощает методику

Рис. 5.1. Схема разделения
блока ЭВМ на простые меха-
нические узлы

Рис. 5.2. Схема простой
колебательной системы
с одной степенью сво-
боды

расчета и анализа воздействия вибраций и является правомер-
ным, так как транспортируемые ЭВМ, как правило, выполняют
в виде блока (или блоков), отдельные части которого жестко
укреплены на шасси и связаны между собой гибкими соедине-
ниями.

Проведем анализ простой колебательной системы с одной
степенью свободы, движение которой под действием прило-
женных сил определяется изменением во времени одной коор-
динаты. Такая система (рис. 5.2) состоит из груза массой т,
пружины жесткостью к и демпфера с коэффициентом демпфи-
рования р.

По принципу Даламбера уравнение движения такой системы
относительно положения статического равновесия должно
учитывать все силы, действующие на систему, в том числе
и силу инерции:

тх -j- P-V йх= Posin со/.

В (5.1) первое слагаемое в левой части —сила инерции,
второе — сила демпфирования, третье — сила упругости пружины;
правая ' часть представляет собой возмущающую силу Р,
действующую извне на колебательную систему.

Разделив правую и левую части этого уравнения на т,
получим

х4- 2доыо.<4- a>oX=(0oXCTsin wt,	(5.2)

где <50 = ₽ /(2 -Vmk)— параметр, пропорциональный коэффициенту
демпфирования; ы0 = т/£т—круговая частота собственных коле-
баний системы; хст =Р0/к- удлинение пружины, которое она
получила бы при статическом воздействии на нее силы Ро.

Дифференциальное уравнение (5.2) решим для свободных
и вынужденных колебаний механической системы.

Для свободных колебаний правая часть уравнения (5.2)
обращается в нуль. Допустим, что в начальный момент вре-
мени ( = 0 массе т была сообщена мгновенная скорость v;
а затем система начала совершать свободные колебания. Для
начальных условий х (0)=0; х(0)=0; x(0)=f при отсутствии
демпфирования ( б0 =0) решение уравнения имеет вид

x=(v/wo)sin wq/ — A sin ыоЛ

т. е. возникает периодическое синусоидальное движение с соб-
ственной частотой w0 =-\/kfri. С увеличением массы частота
уменьшается, а с увеличением жесткости пружины к частота
увеличивается.

Любая реальная система имеет демпфирование (60 =0,02-4-
^-0,25). Так как $о~0, решение уравнения (5.2) будет иметь
следующий вид:

х = (vsin wot.

Отсюда следует, что при наличии демпфирования 60 со-
множитель е-6о"’о' с течением времени образуется в нуль и
колебательный процесс прекращается.

Пусть теперь на колебательную систему воздействует внеш-
няя сила Р, тогда правая часть уравнения (5.1) становится
Равной Р = Ро sin « г. В этом случае решение уравнения (5.2)
приобретает вид

х = А	s i п((йо t — сро) 4- Ц*ст sin (ы/ — ср).	(5.3)

Здесь первое слагаемое в правой части уравнения —реше-
ние уравнения свободных колебаний, а второе — частное реше-
Ние, соответствующее гармонической силе Р. При этом
— arctg [2 60 а / (1 - а 2)] — начальная фаза, а = ш / ш0 ;
|i = 1 / /46оа2+(1 — ст)2.'

В (5.3) только величины А и % зависят от начальных
условий. С течением времени колебания системы устанав-
ливаются и могут быть описаны выражением

х(оо = р.хСт sin (w/ —ф).

Установившиеся под воздействием внешней гармонической
силы колебания системы называют вынужденными. Характер-
ной особенностью таких колебаний является то, что их ампли-

туда зависит не только от параметров системы и возмущающей
силы, но и от ее частоты о>. Если частота возмущающей
силы о) совпадает с собственной частотой системы о)0, то
имеет место резонанс. В этом случае решение уравнения (5.1)
при нулевых начальных условиях и отсутствии трения будет

иметь вид

х = — (<oi>x,//2)cos (1>л/ = — ^coscon?,

(5.4)

т. е. амплитуда колебаний линейно зависит от времени t и
частоты собственных колебаний системы «0. Чем меньше
коэффициент £ в (5.4), тем медленнее нарастает амплитуда
резонансных колебаний. Отсюда следует, что при быстром
прохождении резонансной частоты амплитуда, колебаний будет
достигать меньшего значения, чем при медленном прохождении
резонанса.

Если на систему в момент времени t=0 начинают дей-
ствовать затухающие колебания, то уравнение движения системы
принимает вид

х4-ыоХ=ыоХсте-1/со5(йо/,	(°-5)

где у — коэффициент затухания ( у < <оо).
Решением уравнения (5.5) будет

х = [<.>0Л-,.,/(2у)Х1 — С ’ v')sin <•>.>/

Тогда амплитуда установившихся вынужденных колебаний
на резонансной частоте

Ар„ = woxCT/(2y).

Для системы с трением ( ₽ =/=0) амплитуда колебаний при
резонансе может быть определена по выражению

ЛРо=Хст/(26оУ

Основные параметры, которыми обычно характеризуют гар-
монические колебания блоков: /—частота, Гц; Ал. — амплитуда
перемещения, мм; Д,—амплитудное значение скорости, м/с;
Аш —амплитудное значение ускорения, м/с2; Аг —скорость на-
растания ускорения или динамическая перегрузка, м/с2.
Все эти параметры связаны между собой соотношениями
А г : со/! ш	ц = (1)3 Дх,

где <л == 2 л /

Движение системы, имеющей п степеней свободы, опи-
сывается совокупностью уравнений вида (5.1):

Mx-f- Bx-f- Кх = Р((),
где М — матрица коэффициентов инерции (масс); В — матрица
коэффициентов демпфирования; К —матрица сил упругости;
Y(t) - «-мерный вектор-столбец обобщенных возмущающих сил;
х— обобщенная координата.

Встречающиеся на практике механические вибрации редко
бывают гармоническими. Чаще всего они представляют собой
спектр гармонических колебаний с разными амплитудами и
частотами. В этом случае анализ поведения системы произво-
дят разложением частотного спектра, определяя параметры:
пиковое (максимальное) отклонение, зависящее от многих
факторов, в том числе и от сдвига фаз между составляющими
частотами;

максимальный размах — разность между максимальными и ми-
нимальными отклонениями за период;

среднеарифметическое абсолютных величин отдельных значе-
ний амплитуд колебаний;

среднеарифметическое квадратов отдельных значений ампли-
туд для каждой из гармонических составляющих;

среднеквадратичное, или эффективное, значение отдельных
величин амплитуд за период основной вибрации.

Теоретический анализ и экспериментальная оценка вибраци-
онного воздействия частотного спектра на конструкцию ЭВМ
довольно сложны и требуют принятия следующего допущения.
Стационарное случайное воздействие имеет место с постоянной
спектральной плотностью в виде гармонических колебаний пере-
менной частоты. Приравнивая среднеквадратичное значение
реакции системы на случайную и гармоническую вибрации,
можно определить амплитуду гармонической вибрации. Для
системы с одной степенью свободы это равенство будет иметь
вид 3[( л/о.Д/2)5'о5=-ДДл, откуда А =-/2а=3(л f0S0/2)°’5, где
/о'резонансная частота конструкции; So — спектральная плот-
ность дисперсии возмущения; Д — добротность конструкции
(для сложной конструкции Д=5 + 0,025 /0); о — среднеквадратич-
ное значение амплитуды гармонического виброускорения; А —
амплитуда гармонического колебания.

Анализ реакции системы на вибрационные нагрузки можно
проводить с помощью ее передаточной характеристики.

Расчет частот собственных колебании. Расчет частот соб-
ственных колебаний блоков производят путем условной замены
конструкции блока эквивалентными расчетными схемами, ана-
литические зависимости вибрации которых известны. Основ-
ная задача такой замены состоит в том, чтобы расчетная
схема была как можно ближе к реальной и имела минималь-
ное число степеней свободы.

Наиболее распространенный способ приближенного расчета
частот собственных колебаний —замена реальной конструкции
балочными схемами. Тогда частоты собственных колебаний
блока, замененного эквивалентной схемой балки, могут быть
определены по формуле

/ = (ср/^2)	,

где ср — безразмерный коэффициент, числовое значение кото-
рого зависит от вида конструкции и способа закрепления;
/—длина пролета балки: Е— модуль упругости материала балки;

J— момент инерции балки; т = т0+(1/1) S /c(wz (где т0— равно-
мерно распределенная погонная масса; т ( — сосредоточенная
масса; л—число сосредоточенных масс; к, — коэффициент при-
ведения сосредоточенной’массы к равномерно распределенной) —
йриведенная погонная масса.

Числовые значения коэффициента /с, зависят от отноше-
ния координат сосредоточенных масс к длине балки (а, =
= х, /1) и способа ее закрепления.

В табл. 5.1 приведены значения коэффициента А:,, а в
табл. 5.2 —значения коэффициента ф для различных номеров
гармоник колебаний.

При одинаковых сосредоточенных массах mi = ms, распо-
ложенных через равные интервалы, приведенная погонная
МаССа	w = m0 + (n+l)(ms//).

Значения модуля упругости Е и плотности р некоторых
материалов при нормальной температуре приведены в табл.

' ‘	Таблица 5.1

Вид закрепления балки	Отношения координат сосредоточенных масс х/ к длине / балки								
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
Один конец закреп- лен, другой свободен	0	0,02	0,08	0,21	0,46	0,85	1,38	1,1	2,97
Оба конца лежат на опорах	0,19	0,69	1,31	1,81	2,0	1,81	1,31	0,69	0,19
Один конец закреп- лен, другой лежит на опоре	0,31	1,07	1,86	2,27	2,09	1,16	0,72	0,21	0,02
Оба конца закрепле- ны	0,04	0,37	1,2	2,12	2,52	2,12	1,2	0,37	0,04
Таблица 5.2

	  Вид закрепления балки	Номер гармоники				
	1	2	3	4	5
.——  Оба конца жестко закреплены или оба конца свободны  Один конец жестко закреплен, дру- гОй лежит на опоре  Оба конца лежат на опоре  Один конец жестко закреплен, дру- гой свободен	3,56  2,45  1,57  0,56	9,82  7,95  6,3  3,5	19,3  16,6  14,1  9,83	31,9  28,4  24,2  19,3	47,4  43,3  39,1  31,9

Таблица 5.3

Материал	Модуль упругости £-10'", Па	Плотность р- 104, кг/м3	Материал	Модуль упругости £10-”, Па	Плотность р • 104, кг/мэ
Сталь	2-2,2	7,8	Золото	0,78	19,3
Алюминий	0,73	2,7	Свинец	0,17	11,3
Медь	1,32	8,9	Дюралю- миний	0,72	2,7
Серебро	0,82	10,5	Никель	2,1	8,8

Частота

собственных колебаний прямоугольной

пластины

для всех случаев закрепления ее краев

(5.6)

где а — длина пластины, м; D = Eh2/ [12(1 —е2)] - цилиндрическая
жесткость пластины; е—коэффициент Пуассона; #—ускорение
свободного падения; р — плотность материала пластины; Л —
толщина пластины; а —коэффициент, числовое значение кото-
рого зависит от способа закрепления сторон пластины.

Выражение (5.6) преобразуем к более простому виду:

f==B/ilO4/a\ '	(5.7)

где В —частотная постоянная, определяемая по формуле

В = a j/Eg/[ 12( 1 —е2)р]/(2л).

Значения В зависят от вида закрепления пластины.

На рис. 5.3 приведено 10 вариантов закрепления пластин,
в качестве которых могут быть приняты ячейки, модули,
монтажные платы панелей, блоков, субблоков, днище шасси
6	7 в 3 J0

7//M74Z сторона, закрепленная жестко
------- сторона сёаОоднс лежит на оларе

------ сторона? свободная от опар

Рис. 5.3. Схемы закрепления прямо-
угольных пластин

и т. д. Закрепленным краем
можно считать крепление
ячейки в разъеме; условия
опертого края имеют место
например, для боковых стенок
платы, которая вставляется по
направляющим. В табл. 5.4
приведены числовые значения
частотной постоянной В дЛя
стальной пластины, закреп-
ленной по каждому из ва-

риантов, представленному на рис. 5.3 с различным соотно-
шением сторон а и b пластины.

Таблица 5.4

Схема закрепления пластины (рис. 5.3)	Отношение сторон а и Ь пластины							
	0,25	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	4,0
1	54	58	86	145	234	352	497	868
2	40	41	56	84	124	176	240	864
3	10	19	58	124	217	336	479	855
4	33	44	76	139	230	349	494	866
5	54	56	69 '	93	131	181	244	406
6	54	58	76	115	175	254	353	607
7	8	16	38	70	112	165	230	394
8	9	10	13	18	23	28	33	43
9	9	11	18 .	28	43	62	85	144
10	25	29	47	76	117	170	234	375

Если пластина не стальная, а выполнена из какого-либо
другого материала, то в (5.7) следует ввести поправочный коэф-
фициент /см на материал

йм= j/(£/EcXl>c/p),
где Е и р—модуль упругости и плотность применяемого
материала; Ес и рс — модуль упругости и плотность стали.
Значения поправочного коэффициента км для некоторых мате-

риалов приведены ниже:
Материал . . сталь молиб- маг- алюми- титан тети- эпок- фе-
ден ние- ниевые	накс сид- ноль-
вые сплавы	ная	ная
спла-	смола смола
вы
км	 1	1,1	0,97	0,95	0,93	0,54	0,52	0,47
Для учета нагрузки (в случае равномерного нагружения)

в (5.7) вводят поправочный коэффициент массы элементов
*' = 1//1 + Q,/Q„ .

(5-8)

где (2Э-масса элементов, равномерно размещенных на плас-
тине; Qn~масса пластины.

Значения коэффициентов к' для различных соотношений

Q3 /Qn следующие:

Q3/Q„ ...	1	2	4	6	8	10	12	24

к! ... . 0,71	0,6	0,44	0,38	0,33	0,3	0,28	0,2

Таким образом, (5.7) приобретает вид

f — k^k’Bh-XO'/a2.	(5.9)

Пример. Пусть пластина из гетинакса, габаритные размеры которой
150X 140X 1,5 мм, закреплена по варианту 2 (рис. 5.3) и несет равномерно
распределенную нагрузку 80 г. Определить частоту собственных колебаний
пластины.

Из приведенных данных находим /^=0,54.	z

Так как масса пластины Q = 44 г, то по (5.8) определим к = 0,6.

Так как отношение сторон a lb «=1,0 и способ закрепления соответствует
варианту 2 (рис. 5.3), то из табл. 5.4 находим В = 56.

Отсюда по (5.9) собственная частота пластины/= 121 Гц.

Ориентировочный расчет частот собственных колебаний
прямоугольных пластин, закрепленных по углам в четырех
точках, можно производить по формуле

. л 1+(6/а)2 2	,2	2 ,/ D

f = Y---^г^-[п\Ь/аУ + т2] ]1 —,

(5.10)

где Ыа -отношение меньшей стороны платы к ее большей
стороне; п, т = 1, 2, 3, .„—целые положительные числа.

Анализ формулы (5.10) показывает, что прямоугольная плас-
тина, закрепленная по углам в четырех точках, имеет более
чем одну частоту собственных колебаний.

Наименьшая резонансная частота при п=1 и т = 0 равна

л 1+(6/а)2 ,/ D
?-------- *Р •

Значения параметров Е, е и р для ряда используемых
в технике материалов печатных плат приведены в табл. 5f5.

Определив резонансные частоты ft для всех п входящих
в блок элементов, рассчитаем собственную частоту F резо-
нансных колебаний блока по формуле Дункерлея:

Метод расчета на виброустойчивость. Под воздействием
вибраций печатная плата ведет себя как упругая пластина,
подверженная усталостному разрушению особенно при воз-
никновении механического резонанса. Усталостные отказы по-
	 				Таблица 5				
Материалы	Толщина пластины Л, мм	Модуль упругости Е- 105, кг/см2	е	Плотность Р • 10-4, КГ/см
Стеклотекстолит СТЭФ Стеклотекстолит СТЭ Стеклотекстолит СЭТ Стеклотекстолит МФД Стеклотекстолит СТЭФ с печатной схемой	1,33  1,22  0,82  0,92  1,22	3,3 3,05 2,95 3,45  3,02	0,279 0,214 0,226  0,236  0,22	2,47 1,98 1,85 2,32  2,05

являются чаще всего в виде обрыва проводников, разрушения
паяных соединений и нарушения контактов в разъемах. Эти
усталостные отказы можно предотвратить, обеспечив разные
частоты собственных колебаний для плат и шасси.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной
долговечностью при воздействии вибраций, для этого необ-
ходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний
платы удовлетворяла условию

(5-Н)

где jmax—вибрационные перегрузки в единицах g; b — размер
короткой стороны платы, мм; уfo — безразмерная постоянная,
числовое значение которой зависит от значения частоты соб-
ственных колебаний и воздействующих ускорений.

При ускорениях j' = (3—10) g значения yfa следующие:

Л Гц............ 50-100 100-400 400-700

........... 17,5	25,0	35,0

Выражение (5.11) получено из условия обеспечения значи-
тельной усталостной долговечности, когда амплитуда динами-
ческого смещения платы не превышает значения 0,003 В.

Амортизация ЭВМ. Один из эффективных методов повыше-
ния устойчивости конструкции микроэлектронной вычисли-
тельной аппаратуры, как транспортируемой, так и стационарной,
к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагру-
зок—использование амортизаторов. Действие амортизаторов
основано на демпфировании резонансных частот, т. е. погло-
щении части колебательной энергии.

Аппаратура, установленная на амортизаторах, в общем
случае может быть представлена в виде механической колеба-
тельной системы с шестью степенями свободы: совокупностью
связанных колебаний, состоящих из линейных перемещении,
вращательных колебаний по каждой из трех координатных
осей. Движение такой колебательной системы описывают
линейным однородным дифференциальным уравнением 12-го

иорядка:

fo" — <'ifo° 4“ «г/'о — ... —	— О,

где яг я2, а 6 - коэффициенты, числовые значения которых
зависят от параметров колебательной системы; fQ— собственная
частота колебательной системы.

Эффективность амортизации характеризуется коэффициентом
динамичности или передачи, числовое значение которого
зависит от отношения частоты действующих вибраций f к час-
тоте амортизированной системы /0.

При разработке схемы амортизации необходимо стремиться
к тому, чтобы система имела минимальное число собствен-
ных частот и чтобы они были в 2—3 раза ниже наимень-
шей частоты возмущающей силы. Необходимо также произ-
водить статический расчет системы амортизации при выбранном
типе амортизаторов и схеме их расположения.

Различают статически определимые и статически неопре-
делимые системы амортизации.

Статически определимой системой называют систему, состо-
ящую из трех амортизаторов, точки крепления которых рас-
положены не на одной прямой. Лучшее расположение аморти-
заторов—по окружности через 120°, причем центр окружности
должен совпадать с проекцией центра тяжести блока на гори-
зонтальную плоскость. В такой системе реакции амортизаторов
не зависят от их упругих свойств. Недостаток этой системы —
увеличение нагрузки на каждый из амортизаторов.

Статически неопределимой системой называют систему,
состоящую более чем их трех амортизаторов. В этой системе
на реакции амортизаторов накладывают N— 3 дополнительных
Условия.

При анализе колебаний аморти-
зированного блока предполагается,
что внешние воздействия на него
передаются вибрацией носителя, на
котором блок смонтирован. Эквива-
лентная расчетная схема носителя
Массой М с установленным на нем
блоком массой т приведена на рис.
*•4. Блок установлен на амортизато-
рах с жесткостью к и демпфирова-
нием р, сила упругости амортизато-
ра пропорциональна его деформации:
Лпг = кх. Сила сопротивления амор-
тизатора пропорциональна скорости

Рис. 5.4. Схема амортизирован-
ной колебательной системы с
одной степенью свободы
смещения амортизируемого объекта, т. е. FTp = р (dx

По принципу Даламбера, уравнение движения системы, при.
веденной на рис. 5.4, будет выглядеть следующим образом-
d2x(t) . „ dx(t) ,	...	,

т ^-+?> ^- + kx(t)=^kl$,mwt+ Pswcoswf,	<5

где £ sin wt—колебания носителя под действием внешних
сил.

Решение неоднородного дифференциального уравнения (5.12)
найдем в виде суммы общего решения однородного уравне-
ния и частного решения неоднородного уравнения по аналогии
с анализом уравнения (5.1), т. е. x(t) = x(t) + x*(t).

При этом общее решение может быть получено в виде

= /а2 + В2 е-6"“°sin («о/ 4-Фо).

где 4 й В ~ константы, определяемые из начальных условий;
ып= У £//й—частота собственных колебаний блока; 50=
= p/(2/mF); <p0=arctg (В/А).

Частное решение уравнения (5.12) найдем операторным ме-
тодом при нулевых начальных условиях

«•(о|	-0:^1 =о.

'/=о dt ',=0 dt

Применяя преобразование Лапласа к левой и правой час-
тям дифференциального уравнения (5.12) и учитывая нулевые
начальные условия, получим

х*(Р\\тР2 I BP I Л -	. I	w^(P + fe/P)

или

' т (Р2 + w2)[P2+(p/m)P-{-fe/m]

В соответствии с обратным преобразованием Лапласа дан-
ному изображению соответствует оригинал

х*(/)=2^-[Се_“”6"'sin (wo + <pi) + Osin (w/ + <p2)],

где	________________________

С=— 1/	(fe/fi—Sotoo)2 +

wo ' (6owo+wo —w2) + 46qwow2

„  1 т/	6ow§ + w2

w ' (6owo-|-too — w2)+46owowi ’

, wo	. 26owo

<pi = arctg-7——j------H arctg-ту-т-—r;

k/fi — 6oWo	6oWo — Wo -f- w

<p2==arctg—---arctg

26qwow
6owo—wo+w2
Таким образом, решение уравнения (5.12) может быть за-
писано в виде ______________________________________

x(f)= /Л2 + В2 e f”"u”'sin((i)o/+<po) + —sin(o>o+'Pi)+Osin(w/+<p2)].

(5.13)

В (5.13) первые два слагаемых, являющиеся следствием
ненулевых начальных условий, соответствуют собственным
затухающим колебаниям, т. е. при больших t они обращаются
в нуль. В установившемся режиме в системе возникают вы-
нужденные колебания с частотой ю и амплитудой

D=l

________1 +| Р7(^т)](м/мо)2
[1—(ы/ып)2]2 + [p2/(^m)](w/wo)2 

(5.14)

Из (5.14) определяем коэффициент виброизоляции у, рав-
ный отношению амплитуды возмущающих колебаний к ампли-
туде вынужденных колебаний амортизированного блока:

1/ Е1 -(^/^о)2]2 + [P7(H(<<»7

У D V	1 + [р2/(йт)](Ш/<йо)2	

Если пренебречь демпфированием, то
у = 11 — (w/wo)2l-

Коэффициент динамичности
будет определяться выражени-
ем ц=1/у и при малом
демпфировании — выражением
И =1/I1-((0/(00)2|.

На рис. 5.5 приведены за-
висимости значения коэффици-
ента динамичности от отноше-
ния вынужденной и собствен-
ной частоты при малом демп-
фировании. Из графика видно,
что эти зависимости носят рез-
ко выраженный резонансный
характер. Область частот
,0 / <о0 < где р > 1 — резо-
нансная. С ростом частоты
в°змущающих колебаний пос-
ле перехода через резонанс
амплитуда вынужденных ко-
лебаний уменьшается.-Демпфи-
Рование полезно в резонанс-
н°й области, так как оно
епособствует снижению ампли-
тУДы вынужденных колебаний.

Рис. 5.5 Графики зависимости коэф-
фициента динамичности от отноше-
ния вынужденной и собственной ча-
стот амортизированной системы
В зарезонансной области демпфирование ухудшает работ
системы амортизации.

Амортизаторы выполняют свою виброзащитную функцию
тогда, когда частота внешних воздействий в т/2 раза и более выще
частоты собственных колебаний. Отсюда возникает требование
уменьшения собственной частоты амортизированного блока.

При статическом расчете амортизации блоков аппаратуру
исходными данными являются: Q— масса блока; xQ, yQ> z
координаты центра тяжести (ц. т.) блока; А—число точек
установки амортизаторов; /—частота возмущающей силы; f ~
собственная частота колебаний системы; ы —ускорение (макси-
мальное); ц — коэффициент динамичности; [zj —допустимая
амплитуда колебаний блока.

При правильно подобранных амортизаторах амплитуда вибра-
ций амортизированного блока почти не зависит от их жест-

кости к. При к< т(2 л У)2 максимальная амплитуда колебаний
блока

г| =0,25(o/f

Если z^fzj, то следует увеличивать зазоры между блоками
или их массу.

Масса блока, обеспечивающая максимально допустимую
амплитуду колебаний [zj,

Qi =250P/[z-l]/2,

где Р— амплитуда силы возмущающих вибраций.

При выборе типа амортизаторов и схемы их расположения
следует стремиться к получению минимально возможной час-
тоты собственных колебаний амортизированной системы.
Численно эффективность системы амортизации оценивается
коэффициентом

[ /.=(1 — н)100	| .

Чем больше коэффициент Л, тем большая часть энергии
внешних воздействий поглощается амортизаторами. Резонансные
колебания элементов и блока не возникают, если Л >95%

Собственная частота системы амортизации

Для однонаправленных систем при условии, что ось направ-
лена по линии действия статической нагрузки,

SA=Q;	2P,//, = 0.	(5-l0>

1=1	i=l	1=1

Для статически определимой системы (рис. 5.6)

„ Х| 1/2 —Л	,	,

Рз =--------------<2; Д = х?1/з—Х31/2—хзу\ -j-х11/з —Н х 14/2—Х24/1 •
Координаты точек крепления амор-
тизаторов (х,, у,) задают, исходя из
условия △=/=(). Расчетная жесткость
всех амортизаторов ArP=40 mf%. Отсю-
да расчетная жесткость каждого амор-
тизатора k(~kv/N. Требуемая стати-
ческая деформация амортизатора z/cr =

Для статически неопределимой сис-
темы на реакции амортизаторов на-
кладывается Мд дополнительных усло-

вие. 5.6. Схема статически
определимой системы

ВИЙ

Л1Д = Л1—3+Л1),

где N— число точек крепления, выбранных произвольно.

При этом все реакции амортизаторов должны быть поло-
жительными.

В качестве одного из дополнительных условий выбирают
следующее:

2Лед=о.	(516)

В большинстве случаев можно произвольно задать N— 3
реакций и остальные три реакции определить из (5.15).

После установления основных значений параметров аморти-
заторов выбирают их число; определяют координаты установки
и параметры отдельных амортизаторов путем статического
расчета. По значениям Р, и z, определяют тип амортизатора
и его размеры по действующим стандартам. Статические дефор-
мации выбранных амортизаторов могут быть разными. Для
устранения возможных перекосов ставят компенсирующие про-
кладки, толщина которых равна разности статических про-
гибов выбранных амортизаторов.

Основное условие расстановки амортизаторов при действии
вертикальных гармонических вибраций —нахождение на одной
вертикали центра тяжести и центра жесткости (точки при-
ложения результирующей силы реакций амортизаторов) блока.
В случае несимметричного расположения амортизаторов относи-
тельно обеих вертикальных координатных плоскостей коорди-
наты тойек установки амортизаторов х,„ у, должны удовлетво-
рять таким условиям:

2 kiXt = 0;	2	” 0-

1=1 (=1

Типы амортизаторов. В настоящее время для виброизоляции
аппаратуры используют большое количество типов амортиза-
торов.

Резинометаллический амортизатор пластинчатый типа АП
(Рис. 5.7) при номинальной нагрузке характеризуется частотой
Рис. 5.7. Конструкция амортизатора пла-
стинчатого типа АП

Рис. 5.8. Конструкция
амортизатора стержень-
кового типа АН

Рис. 5.9. Конструкция
амортизатора опорного
типа АО

собственных колебаний 15—20 Гц в вер-
тикальном направлении и 30—35 Гц в
горизонтальном направлении. Технические
характеристики и размеры амортизаторов
АП приведены в табл. 5.6. Амортизиру-
емый блок одной опорой монтируют в
центральное отверстие, а амортизатор
закрепляют по четырем боковым отверс-
тиям. При применении этого типа амор-
тизаторов виброизоляцию радиоаппарату-
ры начинают с 25 Гц при амплитудах
вибраций не более 0,5 мм. Рабочий тем-
пературный диапазон амортизаторов АП
составляет от -45 до +80°С.

Резинометаллические амортизаторы
сгЛерженьковые типа АП (рис. 5.8) рабо-
тают на изгиб и сжатие, имеют неболь-
шие размеры и малую массу, просты в
изготовлении. Частота собственных коле-
баний нагруженных амортизаторов П"
13 Гц в вертикальном и 6—9Гц в гори-
зонтальном направлении. Виброзащиту
аппаратуры начинают с частоты 15 Ги
при нормальной температуре и с 40 Гп
Таблица 5.7

Тип аморти- затора	Номи- нальная нагруз- ка при растя- жении, Н	Коэффициент жесткости, Н/мм		Прогиб от номиналь- ной нагруз- ки, мм	Основные размеры, мм				Масса (1 шт.), кг
		кг	кх		d	D	Н	h	
АН-6	60	40	9,3		М5	20	30	9	0,012
АН-10	100	65	15		М5	20	30	9	0,012
АН-15	150	95	25	1,6 ±0,4	М8	 30	30	9	0,038
АН-30	300	185	46		М8	30	30	9	0,038
АН-50	500	310	80		М10	40	40	12	0,046

при температуре +10°С и амплитуде вибраций до 0,5 мм.
Технические характеристики и размеры амортизаторов АП
приведены в табл. 5.7.

Резиновые амортизаторы опорные типа АО (рис. 5.9)
Работают на сжатие, имеют малые размеры и массу.
Частота собственных колебаний амортизаторов при коми-
нальной нагрузке составляет 25—30 Гц. Виброзащиту аппаратуру
осуществляют с частоты 25 Гц при амплитуде не более
0,5 мм. Технические характеристики и размеры амортизаторов
АО приведены в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Тип аморти- затора	Номи- нальная нагрузка, Н	Коэффи- циент жесткос- ти, Н/мм	Основные размеры, мм							"		  •Масса  (1 шт.), КГ
			И	h	D	Д	d	<7i	R	
АО-10	100	65	9	5	14	12	3,5	7,0	1,5	0,001
АО-ЗО	300	185	13	7,5	28	24	4,8	9,0	2,0	0,01
АО-40	400	250	18	11,0	32	24	6,0	н,о	2,0	0,015
АО-60	600	370	25	32,0	50	36 х	7,0	13,0	2,0	0,05

Амортизаторы типа «втулка» (рис. 5.10) имеют простую
компактную и надежную конструкцию. Они предназначены для
виброзащиты деталей и аппаратуры малой массы. Материалом
амортизатора служит морозостойкая резина. Особенности данного
типа амортизатора —одинаковая жесткость по трем осям, простота
установки и отсутствие склеивания резины с арматурой. Амор-
тизаторы типа «втулка» применяют для виброизоляции на
частотах выше 200 Гц.

Амортизаторы с фрикционным демпфированием типа АФД
(рис. 5.11) имеют частоту собственных колебаний 15—20 Гц
в вертикальном и 25—30 Гц в горизонтальном направлении.
Коэффициент динамичности ц<2. Виброзащиту аппаратуры
начинают с частоты 30 Гц для вертикальных и с 45 Гц для
горизонтальных вибраций. Амортизаторы обеспечивают защиту
от ударных нагрузок до 10 g и линейных ускорений до 9 g
в вертикальном направлении. Рабочий температурный диапазон

Рис. 5.10. Конструкция амор-
тизатора типа «втулка»

от —60 до +150°С. Технические ха-
рактеристики и размеры амортиза-
торов АФД приведены в табл. 5.9.

Кроме перечисленных типов амор-
тизаторов для виброзащиты аппара-
туры применяют амортизаторы ча-
шечные типа АЧ, корабельные сварные
со страховкой типа АКСС, скобочные
типа АМ, рожковые типа АР, равно-
частотные демпфированные типа АД,
пространственного нагружения типа
АПН, цельнометаллические типа ДК
и АЦМ, втулочные двойные типа
АВД, резинометаллические типа АСД,
Рис. 5.11. Конструкция амортиза-
тора с фрикционным демпфиро-
ванием типа АФД

Рис. 5.12. Схема размещения
амортизаторов

с регулируемой резонансной частотой типа АРМ, среднечастот-
ные лепесткового типа, тросовые, пружинные и комбинированные.

Таблица 5.9

Тип аморти- затора	На- груз- ка, И	Коэффи- циент жесткое ти, Н/мм		Основные размеры, мм								Диа- метр и шаг резьбы, мм	Глу- бина резь- бы, мм	Масса  И шт.).
		А;,.	kz	А	В	S	D	di	rfi	Н	й			
АФд.]	2	2	1	38	29	11	33	3,5	14	41,5	28,6	4X0,7	10	60
АФД.;	4	3	2,8	44	35	И	40	3,5	14	42,5	30,0	4X0,7	10	100
Афд-з	6,2	4	4,3	44	35	11	40	3,5	14	42,5	30,0	4X0,7	10	100
АФд.4	10	4,8	7Д	52	41	14	47,5	4,5	18	47,0	33,2	5X0.8	10	160
АФД-5	16,2	8,2	14,2	52	41	14	47,5	4,5	18	47,0	33,2	5X0,8	10	170
АФД-6	25	14	19,5	59	47	17	55	5,5	20	52,0	36,7	6X1	12	260
*ФД-7	40	29,5	33,4	59	47	17	55	5,5	20	52,0	36,7	6X1	12	280
Афд.8	75	39	50	67	53	17	61,5	5,5	22	56,5	41,0	6X1,25	12	375
Афд.9	150	65	67	67	53	17	61;5	5,5	22	56,5	41,0	6X1,25	12	395

''"SSo
Пример. Подобрать и рассчитать амортизаторы для прибора вес
Q —300 Н. Схема нагружения приведена на рис. 5.12, где х, = х4=а1=20с°М
У। =У2 = Ь2 = 10 см; - х2 = — х3 = а2 = Ю см;	= ~У4 = Ь, = 6 см.	‘

Выбираем дополнительные условия в соответствии с (5.16):

2 Лх.</. = 0,

т. е. Р, а,Ьг— Р2а3Ьг + P3a3bx—Ptaxbx = Q

Система уравнений статического равновесия будет

Pi + Р2 + Рз + Ра = Q;

Р|П| — Pidi — Рз^2 +	= 0;

Pi b2 -Г Р2Ь2 — РзЬ1 — РаЬ |=0.

Решив ее, получим:

n _ Q	р _Q	albj

(fli+azX^i+^z)	2 (at+02X^1

p, = О	a'b'  p.=o aib'

(a, +02X^1 +62)	(a,+02X^1+^2)

Отсюда Pi—37,5 H; Рг = 75; Рз —125; Рд — 62,5 H. Выбираем амортиза-
торы с фрикционным демпфированием: первый — АДФ-7; второй и
четвертый — АФД-8, третий — АФД-9. Коэффициенты жесткости амортизато-
ров соответственно будут 33, 50, 67 Н/мм.

Статический прогиб амортизаторов

Zict = Pi/ki = 1,14 мм; z2„ = P2/k2, 4= 1,5 мм;

гзст = Рз/ki = 1,87 мм; Z4ct —Р4/Л2.4= 1,25 мм.

Толщина компенсирующих прокладок;

$1=0; 62= z2CT-_ztcT = 0,36 мм; 63 = z3cT- z,CT-O,73 мм; 64 = ,z4cT-ztCT-
— 0,11 мм.

Суммарная жесткость амортизаторов

kp = ki -|- 2fe.4 “Ь = 2 • 105 Н/м.

Собственная частота системы

fo = /£p/40ai =13 Гц.

Коэффициент динамичности, например на частоте /—30 Гц, будет
Ц теО,23.	_	.	.

Эффективность амортизации на частоте/—30 1 ц будет Л =77 /о.

В случае последовательного включения амортизаторов их
общая жесткость определяется по формуле /сР = 1/2X1/^,)-

Параллельное соединение амортизаторов делает систему
более жесткой, последовательное —более мягкой.

Относительно центра тяжести амортизируемого блока по-
ложение амортизаторов может быть весьма разнообразным.
На рис. 5.13 приведены варианты схем размещения аморти-
заторов: нижний монтаж (рис. 5.13, а); в плоскости центра
тяжести (рис. 5.13, б), в диагональной плоскости, проходящей
через центр тяжести (рис. 5.13, в); в двух горизонтальны*
плоскостях (рис. 5.13, г); двусторонний монтаж (рис. 5.13,
Рис. 5.13. Схемы установки амортизаторов

односторонний под углом (рис. 5.13, е), двусторонний под
углом (рис. 5.13, ж).

Наиболее часто используется нижний монтаж, однако
недостатком этого типа монтажа является необходимость
обеспечения достаточных

боковых зазоров между
амортизируемыми блоками,
чтобы избежать соударений.
Схему, в которой амортиза-
торы размещаются в плос-
кости, проходящей через
центр тяжести, целесообраз-
но использовать в условиях
пространственных нагрузок
на самолетах и ракетах.
Наиболее выгодное распо-
ложение амортизаторов та-
кое, при котором расстояние
от центра тяжести блока
Равно радиусу инерции.
Амортизаторы не обяза-
тельно располагать в гори-
зонтальной плоскости, про-
ходящей через центр тяже-
сти блока. Эффективность
От их использования не
Уменьшится при установке
?а наклонной плоскости.
^°нтаж амортизаторов под
Утлом к осям симметрии
наиболее эффективен при

Рис. 5.14. Конструкция амортизацион-
ного основания

U*
изоляции пространственных вибраций, . однако и наибоде
сложен, так как при небольшом нарушении симметрии в систем6
возникают колебания по всем шести координатам. г

В последнее время широкое распространение находят амоп
тизационные основания, которые служат в качестве проме.
жуточных конструктивных элементов для установки на них
различных типовых блоков аппаратуры. На рис. 5.14 приведен
пример конструкции такого амортизационного основания
служащего для закрепления на нем типовых блоков аппара-
туры различных размеров. Блоки аппаратуры 7 устанавливают-
ся на плате основания 3 по направляющим полозкам 4
и штырям 5, после чего закрепляются накидными болтами 2
Электрическое соединение блоков осуществляется с помощью
промежуточных 6 и внешних 7 разъемов. Плата основания
на объекте эксплуатации устанавливается с .помощью четы-
рех амортизаторов 8.

§ 5.2

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ КОМПОНОВКИ ЭВМ

Основной недостаток как корпусных микросхем, так и
построенных на их основе узлов и блоков —сравнительно
большой объем вспомогательных конструктивных элементов:
корпусов, выводов, элементов герметизации, теплоотводов
и т. д., не несущих функциональной нагрузки. Это приводит
к непроизводительно большим затратам полезного объема
и массы устройства. Так, в полупроводниковых микросхемах
объем, занимаемый кристаллом, составляет 0,01—0,1% от
объема корпуса без учета объема выводов. Для ячеек и
устройств, построенных на таких микросхемах, это значение
снизится еще на 1—2 порядка. В ЭВМ первого и второго
поколений объем, занимаемый электрорадиоэлементами,
составлял почти до 20% от общего объема машины.

Увеличение степени эффективного использования объема
и массы микроэлектронных вычислительных устройств
(плотности компоновки микроэлектронных компонентов)
может быть достигнуто за счет: а) увеличения плотности
размещения микроэлектронных элементов и их числа на
поверхности кристалла микросхемы; б) применения бескорпус-
ных ИС и полупроводниковых приборов для получения
БГИС; в) применения специальных методов конструирования,
как правило, связанных с разработкой новых технологиче-
ских приемов, позволяющих увеличить плотность размещения
микроэлектронных элементов. При этом наиболее перспектив-
ны трехмерная компоновка микроэлектронных устройств,
применение БГИС и использование микрокорпусов ИС.
Трехмерная компо-
новка ЭВМ. Снижение
эффективности исполь-
зования физического
объема конструкции ма-
шины связано, с одной
стороны, с применением
корпусных микросхем,
а с другой стороны, с
необходимостью введе-
ния в конструкцию жест-
ких громоздких плат, ра-
мок каркасов и разъемов
для электрического и ме-
ханического объединения
между собой микросхем,
ячеек, модулей. Кроме
того, необходимость та-

Рис. 5.15. Конструкция полупроводникового
ЗУ (фирма «Motorola»).

кой организации схемы
и конструкции ячеек и
модулей, чтобы входы

и выходы их выполнялись с одной или с двух сторон пе-
чатной платы, ограничивает свободу конструктивного реше-

ния и усложняет задачу размещения микросхем в плоскости
печатной платы. Более эффективным в этом случае было бы

располагать входы и выходы ячеек на четырех сторонах
платы.

Существенный выигрыш в плотности компоновки может
быть достигнут применением трехмерных конструкций микро-
электронных узлов и блоков, в которых корпусные или
бескорпусные микросхемы располагают на основной базовой
пластине не только по ее ‘"поверхности (по координатам х
и у), но и на нескольких уровнях (по координате z).
Примером трехмерной компоновки корпусных микросхем
служит модуль полупроводникового запоминающего устройст-
ва на 8192 бит фирмы «Motorola», конструкция которого
схематически представлена на рис. 5.15. Модуль собран из
Шести корпусных ИС 2, склеенных между собой в шести-
ярусную конструкцию. Выводы ИС изогнуты, объединены,
спаяны между собой и образуют вертикальные шины. В ниж-
ней части модуля на литом основании 1 находится печатная
плата, в которую впаяны вертикальные шины и 42 внеш-
них вывода модуля, расположенные по четырем сторонам
основания. Собранный модуль закрывают кожухом 3.

По аналогичному принципу строят этажерочную конструк-
цию блока (рис. 5.16, а), в которой используют печатные
платы с входными и выходными контактами по четырем
сторонам. На печатных платах 2 размещены микросхемы
(корпусные или бескорпусные) и электрические связи i
плоскости ху. При необходимости для осуществления д0
полнительных соединений в плоскость ху вводят специаль'
ные платы 3 с печатными полосковыми линиями передачи
сигналов. Печатные проводники заканчиваются торцовыми
контактами (рис. 5.16, ,6). Связи по оси z осуществляют
проводники 5, которые вкладывают в торцовые контакты

Рис. 5.16. Трехмерная компоновка блока на ИС

и в них запаивают. Нижние концы вертикальных проводников
запаивают в отверстия базовой платы 4, имеющие свою
систему выходных и входных контактов. Базовая плата
обеспечивает разъемное соединение блока с другими блоками
и устройствами машины с помощью печатного или штыре-
вого разъема.

Платы небольшого размера (менее 50X50 мм) удерживают-
ся р блоке вертикальными проводниками, впаянными в
торцовые контакты. Поэтому диаметр проводников следует
выбирать не менее 0,5 мм, а по углам плат обязательно
предусматривать сквозные вертикальные проводники, впаян-
ные в базовую плату. Их можно использовать для подвод-
ки питания и в качестве шин «земля». Если платы имеют
большие размеры (более 50X50 мм), то в конструкцию
блока необходимо вводить центральную ось с прокладками
и стягивающими винтами. Это увеличит механическую
прочность блока. При необходимости такие оси можно
устанавливать и в других местах блока плат, например по
углам. Собранный и проверенный блок закрывают крышкой
й герметизируют.

При относительно большой плотности размещения микро-
электронных элементов рассмотренные многоярусная и
этажерочная конструкции блоков ЭВМ обладают существен-
ным недостатком — практически полной неремонтоспособ-
ностью. Вышедшая из строя микросистема внутри «этажерки»
не может быть заменена без полной разборки блока. По-
этому в реальных условиях вышедший из строя блок должен
заменяться работоспособным блоком без ремонта. Это ведет
к резкому увеличению стоимости машины и к трудностям
при наладке. Ремонтоспособность может быть достигнута
путем использования узких кольцевых пружинных контактов,
располагаемых по периметру плат этажерки так, как пред-
ставлено на рис. 5.17, а.

Рис. 5.17. Применение кольцевых пружинных контактов в разъемной
трехмерной конструкции блоков на ИС

На печатную плату 1 с установленными микросхемами 2
Монтируют керамическую рамку 3 с канавками, в каждой
Из которых размещают узкий кольцевой пружинящий кон-
такт 4. При сборке плат в блок (этажерку) пружинящие
Контакты поджимают к одноименным контактам на соседних
Платах и к печатным проводникам 6 боковых плат 5,
осуществляющих электрические соединения по оси z
(Рис. 5.17, б). Усилия деформации пружинящих контактов
обеспечивают надежное разъемное соединение. Пакет плат
в такой конструкции легко разбирается и вышедшая из строя
Плата ремонтируется или заменяется. Однако использование
сплошных боковых стенок ухудшает тепловой режим работы
блока, в замкнутом пространстве которого заключено боль-
шое число микросхем. Исключить из конструкции блока
сплошные боковые стенки можно использованием специаль
ных переходных рамок 7 с кольцевыми пружинными контак'
тами. При сборке блока между платами с микросхемами
устанавливают такую рамку, контакты которой, поджимаясь
к печатным контактам плат 8, осуществляют соединения
по оси z (рис. 5.17, в). Отсутствие рамок с контактами
на платах с микросхемами упрощает их конструкцию.

Удачным решением задачи создания разъемной трехмерной
конструкции микроэлектронной ЭВМ является планарно-
коаксиальный метод, разработанный фирмой «Bunker—Ramo»

Рис. 5.18. Схема построения
ЭВМ трехмерной конструкции
(фирма «Bunker-Ramo»)

Рис. 5.19. Схема процесса
изготовления коакси-
альной линии связи

для бортовой машины BR-1018, предназначенной для приме-
нения в системах управления ИСЗ и реактивных снарядов.
Сущность метода заключается в разработке системы пластин,
на которых размещены межсоединения, активные приборы
и золотые контактные выступы, обеспечивающие электриче-
ский контакт между данной пластиной и ее ближайшими
соседями сверху и снизу. Такие пластины, имеющие габа-
ритные размеры 51X51X0,18 мм, собирают в стопку 6
(рйс. 5.18), где удерживаются исключительно за счет меха-
нического давления. В любой момент стопку можно разо-
брать для проверки, ремонта или замены той или иной
пластины. В машине BR-1018 используют пластины: 1"
с соединениями в плоскости ху; 2, 5 —с соединениями по
оси г; 3 —разделительные, 4 — с активными компонентами.

В планарно-коаксиальном методе используют два типа соеди-
нительных элементов: золотые контактные выступы (сквоз-
ные проводники), с помощью которых осуществляется соеди-
нение соседних пластин по оси z, и коаксиальные- структу-
ры, расположенные в плоскости пластин и служащие для
образования соединений по осям х и у. Оба типа соедини-
тельных элементов образуют селективным травлением под-
ложки из бериллиевой бронзы и последующим заполнением
полученных углублений диэлектриком на основе эпоксидной
смолы.

Для создания коаксиальных структур одну сторону под-
ложки покрывают фоторезистом, маскируют фотошаблоном
требуемого рисунка соединений, экспонируют и затем травят
почти на половину толщины подложки (рис. 5.19, а). Далее
вытравленные канавки заполняют диэлектриком (рис. 5.19, б).
После этого подготавливают аналогичным образом другую
сторону подложки и травят ее так, что нижняя сторона
диэлектрика остается покрытой тонким слоем бронзы
(рис. 5.19, в). Третье травление изолирует полоску бронзы
от основной массы материала подложки (рис. 5.19, г) так,
что при этом образуется коаксиальный центральный провод-
ник. Проводник покрывают диэлектриком (рис. 5.19, д),
а затем всю поверхность пластины с обеих сторон метал-
лизируют (рис. 5.19, е). Таким образом, все соединения в
плоскости ху выполняют в виде экранированных коаксильных
линий, по которым высокочастотные сигналы передаются
практически без потерь.

Сквозные проводники для соединений по оси z образуют
аналогично, за исключением того, что в процессе трав-
ления создается мезаструктура из бериллиевой бронзы,
верхняя поверхность которой совпадает с плоскостью
пластины-подложки. Островки мезаструктуры с одной сторо-
ны платы окружают диэлектрическим наполнителем. Затем
ведут травление другой стороны платы, изолируя тем самым
Центральный проводник от подложки, и заполняют углубле-
ния диэлектриком. В результате образуется коаксиальная
структура в направлении оси z. Проводник, проходящий
сквозь пластину, может соединяться с коаксиальным про-
водником связи в плоскости ху. Для изготовления такого
типа соединения необходимо совместить оба процесса.
Так как все соединения имеют коаксиальную структуру,
то перекрестные помехи невелики для проводников, распо-
ложенных как в плоскости ху, так и по оси z.

На рис. 5.20 представлены фрагменты пластин с соедине-
Циями в плоскости ху (пластины 1 и 4) и по оси z
(пластина 5). Проводники 2, 5, 6, 8 по оси z выполнены
в виде островков металла размером 0,3 X 0,3 мм, окруженных
диэлектриком. На пластине 3 каждый островок имеет золо.
тые выступы 5 размером 0,125X0,125 мм. Золотые контакты 7
наносят также на подложку для осуществления соединения
вдоль оси z с пластиной нулевого потенциала. Шаг распо-
ложения выступов равен 1,25 мм по обеим координатам
Выступы могут быть расположены также на краевых вер^
тикальных проводниках 6. Краевые вертикальные проводники
и коаксиальная связь между ними обозначены 8 и 9.

Пластина, на которую монтируют элементы, содержит
монтажные площадки для них и матрицу вертикальных
соединений. Для монтажа могут быть использованы самые
различные приборы — кристаллы с балочными выводами,
структуры с шариковыми контактами и приборы (ИС) в
плоских корпусах. На рис. 5.21 представлен фрагмент пла-

Рис. 5.20. Фрагменты пластин с
соединениями в плоскости ху и
по оси z

/

Рис. 5.21 Фрагменты пла-
стин с вмонтированной бес-
корпусной ИС

стины с вмонтированным прибором (здесь 1 — пластина, 2~
микросхема, 3 — проводник, 4 — соединения по оси z). Каждая
монтажная площадка с помощью скрытых проводников 3
(на рисунке заштрихованы) соединена с вертикальными про-
водниками, служащими для связи с другими пластинами.
Чтобы обеспечить универсальность системы и получить
возможность унифицировать пластины для элементов, на
этом типе пластин не создают никаких межсоединений.
В машине BR-1018 на каждую пластину с активными
элементами требуется по две пластины с соединениями
по оси z.

Разделительные пластины 3 (см. рис. 5.17) имеют сквоз-
ные вырезы. Размеры вы- i_	-—жж

резов и толщина пластин 1ж:ж:ж:ж:ж^к~.ж:ж:ж~.ж'.ж‘.ж:ж:жт2
рассчитаны на размеще- I	*-Ж'-3

^ие в них активных при-

боров. В этих пластинах 1Ж.ж.ж,ж^ж-л । ж.ж.ж.ж.жМ
есть соединения по оси z 1Ж I » ; тг £-. ... ; и аг
д коаксиальные СВЯЗИ В Рис. 5 22 Сечение пакета пластин
плоскости ху, идущие от
вертикальных контактов, соответствующих выводам или кон-
тактным площадкам активных приборов, к краям пластины,
где выходящие наружу концы этих соединений служат тесто-
выми точками Такие тестовые точки необходимы для про-
верки всех имеющихся в блоке приборов и для выяснения
причин отказов. Расположенные по периферии пластины тесто-
вые контакты имеют размеры 0,5X0,18 мм, что достаточно
для осуществления контакта с помощью игольчатого зонда.
После завершения сборки блока разделительные пластины с
контактами на боковых сторонах располагают так, что образу-
ются специфические узоры, облегчающие проверку и отыскание
неисправностей.

Рис. 5.23. Схема сборки ЭВМ «BR-1018»

Готовые пластины собирают в стопку путем нанизывания
на вертикальные закаленные стержни диаметром 0,7 мм
в определенной последовательности (рис. 5.22). Каждой
Пластине с активными компонентами 6 соответствуют одна
Разделительная пластина 5, две пластины 1 и 3 с соедине-
ниями в плоскости ху и две пластины 2 и 4 с соединения-
ми по оси z. В состав машины BR-1018 входит несколько
таких стопок пластин 3 (рис. 5.23), устанавливаемых на
Двух больших платах 5, выполненных по планарно-коаксиаль-
ной технологии, а затем на металлическом основании 6.
Пластины 7 с соединениями в плоскости z служат для осу-
ществления электрических связей между стопками пластин 3
и платами 5. Стопки пластин закрывают металлическими
герметичными крышками 2 и сжимают шестью болтами [
Так как стопки собираются с усилием порядка 5—10 р
на контакт, то каждый из золотых контактов деформирует,
ся давлением, соответствующим методу накрутки, который
подтвердил свою высокую надежность. Для подключения
разъема 4 с внешними связями также используют пластины
с соединениями в z-плоскости. По размерам ЭВМ BR-1018
меньше настольного телефона (1600 см3), масса ее около
4,5 кг.

Планарно-коаксиальный метод имеет две важные особен-
ности: 1) для конкретного устройства требуется специальная
разработка тех пластин, в которых осуществляются соединения
в плоскости ху, остальные пластины являются унифицирован-
ными и могут быть использованы при реализации любых
других вычислительных устройств; 2) отвод теплоты не
создает большой проблемы при реализации этого метода,
так как почти на 80% стопки с компонентами состоят из
бериллиевой бронзы и всегда есть обладающий высокой
теплопроводностью путь отвода теплоты к радиатору, ко-
торым служат металлическая крышка и основание.

Конструирование ЭВМ на БГИС. В отличие от полупро-
водниковых БИС, изготовленных в одном монокристалле
полупроводника, гибридные БИС (БГИС) представляют собой
собранную в корпусе (или без корпуса) подложку из ди-
электрика, на которой размещены пассивные элементы схемы
(резисторы, конденсаторы, индуктивности), вся система про-
водников связей, а также контактные площадки для
присоединения выводов активных элементов схемы. В ка-
честве активных элементов используют бескорпусные полу-
проводниковые транзисторы, диоды, транзисторные или
диодные матрицы, кристаллы полупроводниковых ИС, под-
ложки с гибридными ИС.

Преимущества БГИС перед полупроводниковыми БИС
следующие: содержат менее сложные активные элементы,
позволяют легче получать более высокие значения электри-
ческих параметров (так, более мощные или более высоко-
частотные транзисторные ' структуры, безусловно, легче
изготовить на отдельных кристаллах, чем в составе слож-
ных монолитных структур), имеют меньшие первоначальные
затраты на разработку, могут изготовляться на предприятиях
не полупроводниковой, а радиотехнической и других отрас-
лей промышленности (это особенно важно, когда резко растет
спрос на изделия микроэлектроники и специализированные
предприятия полупроводниковой промышленности не могут
его удовлетворить).

В БГИС в качестве активных элементов применяют
кристаллы дискретных транзисторов и диодов, транзисторных
диодных матриц, полупроводниковых микросхем и подлож-
ки с небольшими гибридными ИС. Все эти элементы имеют
малые габаритные размеры и массу. В них кристаллы
полупроводников защищаются от воздействия внешних
факторов методом пассивации поверхности и герметизацией
с помощью специальных защитных покрытий (лаки, стекло,
эмали, смолы, компаунды и др.). В табл. 5.10 приведены
типы и основные параметры бескорпусных диодов и диод-
ных матриц, а в табл. 5.11 — основные параметры бескорпус-
ных биполярных транзисторов, выпускаемых отечествен-
ной промышленностью для построения БГИС с различной

Таблица 5.10

Тип диода (диодной матрицы)	Параметры				Количество элементов по модификациям	Схема соеди- нения
	напря- жение t/обр max,  В	ток  /пр max, мА	время восста- новле-  ния, т восст, НС	емкость  Ст, пФ		
КД901 КД902 КД 904  КД9О7  КД913	10  5  10  40  10	5  5  5  50  5	20  10  10  4 .10	4  2  2  4  4	А-1, Б-2, В-3, Г-4  А-1, Б-2, В-3, Г-4  А-1, Б-2, В, Д-З  Г, Е-4  А-1, Б-2, В-3, Г-4  А-3 - - -	Общий катод Общий анод  То же  Общий катод То же

Таблица 5.11

Тип транзис- тора	Параметры						Структура
	частота  Утах. МГ ц	напряже- ние  max’ В	ТОК  1 к max. мА	МОЩНОСТЬ Т к max. мВт	емкость ск, пФ	время разряда Тр , нс	
КТ202	5	15, 30	10	15	• 25	1000	р-п-р
КТ348	100	5	15	15	11	170	п-р-п
КТ354	1000	10	20	20	1,5	—	п-р-п
ГТ353	1000	10	20	30	2	—	п-р-п
ГТ612	1200	12	120	' 360	3,5	—	п-р-п
КТ332	250	15	20	15	5	—	п-р-п"
КТ307	250	20	20*	15	6 '	30	п-р-п
КТ324	800	10	20	15	2,5	10	п-р-п ХГ 
КТ319	100	5	15	v 15	15	130 '	п-р-п
КТ336	250	10	20	50	5	30	п-р-п
КТ331	250	15	20	15	5	—	п-р-п
степенью интеграции. Кроме того, в БГИС использую3
бескорпусные . МДП-транзисторы типа КП201 (Е, Ж, pj
К, Л) со следующими параметрами: максимально допустимое
напряжение затвор — исток t/raax 3_и = 15 В, максимально допусти-
мое напряжение сток —исток ^тахс-и^Ю В, максимально допус-
тимая мощность Ргаах = 60 мВт, входная емкость Свх = 20 пф
структура с р-и-переходом и каналом p-типа. Конструктивно
бескорпусные полупроводниковые приборы и микросхемы
производят с гибкими, шариковыми, ленточными и ба-
лочными выводами или в керамических кристаллодержате-
лях.

Гибкие выводы выполняют из проволоки диаметром
30—40 мкм и методом термокомпрессии присоединяют к
полупроводниковой структуре. Примером использования
гибких выводов служат конструкции бескорпусных диодных
матриц КД902 (рис. 5.24) и КД904 (рис. 5.25), транзистора
КТ307 (рис. 5.26, где э, к, б— соответственно выводы кол-
лектора, эмиттера, базы) и микросхем серии К700 (рис. 5.27).
Достоинство гибких выводов —удобство в проведении
измерений и испытаний до установки их в микросхему;
недостаток —трудность автоматизации монтажа их на под-
ложку БГИС.

Автоматизировать процесс монтажа можно с использо-
ванием бескорпусных приборов с жесткими выводами (шари-
ковыми, балочными, ленточными). Шариковый вывод пред-
ставляет собой нанесенный гальваническим методом на
контактную площадку металл (медь или серебро) полусфери-
ческой формы. Примерами приборов с шариковыми выво-
дами могут служить диод КД913 и транзистор КТ336,
конструкции которых приведены соответственно на рис. 5.28
и 5.29.

Для конструкции приборов с балочными выводами
(рис. 5.30) характерно наличие выводов в форме стержней
(балок), выступающих за кромку кристалла. Приборы с
такими выводами легко монтировать автоматизированными
методами, они имеют малую индуктивность выводов и
хорошие частотные характеристики.

Монтаж бескорпусных полупроводниковых приборов
существенно облегчается с использованием миниатюрных
керамических держателей (рис. 5.31), представляющих собой
керамическую панель, на которой путем механической
обработки получены симметричные или асимметричные
металлизированные выступы. Кристалл помещают в углубле-
ние между выводами и заливают герметизирующим компаун-
дом. Соединение кристалла с выводами производится гиб-
кими проводниками термокомпрессионным методом.

Электрические параметры БГИС в существенной степени
Рис. 5 24 Конструкция бес- Рис. 5 25
корпусных диодных матриц

КД902	*

Конструкция бескорпусных диодных
матриц КД904

/ /4 13

Рис. 5.26. Конструкция
бескорпусного транзи-
стора КТ307

Рис. 5.27. Конструкция бескорпусных
микросхем серии К700

Рис. 5.2& Конструкция бескор-
пусного диода КД913 с шарико-
выми выводами
Рис. 5.29. Конструкция
бескорпусного транзи-
стора КТ336 с шариковы-
ми выводами

зависят от свойств и состава подложек
Для подложки БГИС лучшим является
материал, имеющий малые диэлектриче.
ские потери, высокое качество поверх-
ности, не зависящую от температуры
диэлектрическую проницаемость, хорошую
теплопроводность и однородность пара-
метров от партии к партии. В настоящее
время применяют порошкообразные неор-
ганические компоненты: металлы и оксиды
металлов, смешанные с порошкообразной
стеклянной связкой и взвешенные в ор-
ганическом наполнителе. Пасту наносят
через трафарет, причем для каждого вида
компонентов имеется свой состав пасты
и своя сетка.

При изготовлении БГИС по тонко-
пленочной технологии пассивные элемен-

Рис. 5.31. Конструкция бескорпусного при-
бора с керамическим держателем

Рис. 5.30. Конструкция бескорпус-
ного прибора с балочными вы-
водами

ты и соединения между ними наносят на поверхность под-
ложки путем испарения материалов в высоком вакууме или
с помощью катодного распыления. Материал наносят на всю
поверхность подложки, а затем с помощью фотолитографи-
ческой обработки создают требуемый рисунок.

Толстопленочную технологию обычно используют для
получения схем, работающих на частотах до 1 ГГц и не
требующих при изготовлении особых точностей задания раз-
меров металлизации, а также для создания схем с большими
номиналами резисторов и работающих на высоких уровнях
мощности.

Тонкопленочная технология более предпочтительна для
получения схем, работающих
на частотах свыше 1 Гц и
предназначенных для массо-
вого потребления.

Пассивная часть БГИС со-
стоит из пленочных резисто-
ров, конденсаторов, индуктив-
ностей, контактных площадок
и проводников связи. Пле-
ночные резисторы выполня-
ются на подложках из ме-
талла, специальных сплавов

Рис. 5.32 Конфигурация пленочных ре-
зисторов:

а —прямоугольная полоска; б — меандр с кон-
тактными площадками; в — регуляторный
меандр

(напыленных) или резистив-

ных паст (вожженных) в виде прямоугольной полоски, меандра

с контактными площадками (составной резистор), регулярного
меандра (рис. 5.32).

Сопротивление пленочного резистора подсчитывают по

формуле

/? = Q„//(bd),

где еп —удельное сопротивление пленки, (Ом/мм2) / м;
/, b и d— соответственно длина, ширина и толщина пле-
ночного резистора, мм.

Толщина резистивной пленки выбирается с учетом тре-
буемого значения R, температурной стабильности, условий
эксплуатации и технологическйх методов изготовления.
Для каждого резистивного материала можно указать такие
пределы изменения толщины, которым соответствуют ма-
лые изменения удельного поверхностного сопротивления.
Отношение Qn/d=Q0 (Ом/П), называемое удельным поверх-
ностным сопротивлением пленки, остается достаточно постоян-
ным и стабильным.

Исходным выражением для расчета резисторов является
произведение удельного поверхностного сопротивления плен-
ки ро на коэффициент формы к, т. е.

/? =Q (|/г,

где k=l/b=R/Q0 показывает, из какого числа квадратов
со стороной, равной ширине полоски Ь, состоит данный
Резистор, и определяет конфигурацию резистора. При
резисторы изготовляют в виде прямоугольной
полоски (рис. 5.32, а), при 10</с<50 —в виде меандра
(РИс. 5.32, б, в). При к>50 рекомендуется использовать
Навесной дискретный резистор.

Допустимая относительная погрешность формы определя-
ется из выражения

У*лоп= /y*-Yq0-yV

гДе Ук —требуемая точность изготовления резистора; ур.о —
°тносительная погрешность сопротивления квадрата пленки;
уЛк — 2 RK/ R —относительная погрешность сопротивления
контактного перехода RK (обычно 1—3%).

Исходными данными для расчета геометрических размеров
резистора являются погрешности yR , ут ,	, сопротивле-

ние /?, точность линейных размерив △/ и '△/>, мощность
рассеяния Р резистора, максимально допустимая удельная мощ.
ность рассеяния Ро.

Определяют коэффициент формы: k~R/$0. Исходя из
требований к точности резистора его минимальная ширина
^mtn точн —(AZ?	Yfe доп.

С учетом мощности рассеяния резистора его минималь-
ная ширина

Ьт,пР= /Р/(АР0).

Расчетное значение ширины резистора

== max {^min точнэ ^min Pt ^min техн).

где b min техн ~ минимальная ширина резистора, определяемая
технологией его изготовления.

Расчетное значение длины резистора

l=kb.

Площадь резистора

S=b/l.

Значение удельной мощности рассеяния резистора

Pi=P/S.

При сравнении ее с допустимой должно выполняться
условие	Если оно не выполняется, надо увеличивать

значение Ь.

Пленочные конденсаторы представляют собой многослой-
ные структуры из проводящих и диэлектрических пленок.
Проектирование таких конденсаторов состоит в выборе
исходных материалов пленок, расчете площади перекрытия
обкладок, выборе их формы и расположения на подложке.
Нижние обкладки конденсаторов должны выступать за края
верхних, чтобы компенсировать ошибки совмещения масок
(фотошаблонов).

Емкость пленочного конденсатора (пФ) С = 0,0885 е S(n-\)/d>
где 8 —диэлектрическая проницаемость пленки; S— рабочая
площадь конденсатора, см2; л—число обкладок; d — толщина
диэлектрика, см.

Исходными данными для расчета геометрических размеров
пленочного конденсатора являются его емкость С, относи-
тельная погрешность емкости ус, относительная погрешность
удельной емкости уСо, погрешности линейных размеров
обкладок конденсатора △£ и △#, приложенное рабочее
напряжение Up, электрическая прочность диэлектрической
пленки Епр, погрешность установки и совмещения масок
д/, коэффициент запаса электрической прочности конденсато-
ра ^э=2 — 4.

Расчет проводят в такой последовательности. Из выраже-
ния иркэ/Епр определяют возможную толщину диэлектри-
ческого слоя конденсатора. По формуле у5 доп= ~Ус
находят максимально допустимую погрешность площадй
конденсатора. Затем определяют максимальное значение
Со max =0,0885( e/d) .n рассчитывают максимальное значение
удельной емкости с учетом заданной точности изготовления
конденсатора, т. е. С 0 шах точн =С(ys лоп/AL)^[ki/ (ki + 1)2],
где fa —коэффициент формы верхней обкладки конденсатора.

Выбирают C0<min{C0[nax, Со max точн). Рассчитывают толщину
диэлектрика <7== 0,0885/Со для выбранного значения Со.
Определяют рабочую площадь конденсатора S = С/Со, а затем
размеры верхней	Bi = VS/ki) и нижней [Li=Z,2 +

+2(А£ + △/),	= Bi + 2(A5 + △/)] обкладок конденсатора.

По выражению ус = т/ у ’ + у J рассчитывают суммарную
погрешность емкости конденсатора, предварительно опреде-
лив у5 из выражения у5 = △£ /Li + АВ /Bi.

Применяемые в настоящее время материалы для подло-
жек БГИС характеризуются различными значениями перечис-
ленных параметров, и оптимального во всех отношениях
материала нет.

В табл. 5.12 приведены некоторые типы применяемых
материалов подложек и их основные параметры. В технике
БГИС наиболее широко применяют ситалл, поликор и

Таблица 5.12

Материал подложки	Параметры			
	диэлектри- ческая про- ницаемость на частоте  10 ГГЦ	таш енс угла потерь tg • 10~4 на частоте  10 ГГц	шерохова- тость, мкм	теплопро- водность, Вт/(м-°С)
Ситалл	7,9	45		0,02
Керамика 22ХС	10	6	—	6,1
Поликор	9,6	1	0,1	0,4
Стекло С48-3	6,8	15	0,025	0,01
Кварц расплавленный	3,8	1	0,025	0,01
Фотокерамика	5,6	—	—	0,03
Оксид бериллия	6,5	1	0,61	2,5
Дитанат бария	100	—	—	0,02
Сапфир	10,5	1	0,025	0,4
Рутил	100	4	0,61	0,02
Феррит (гранат)	15	2	0,305	ОДЗ
керамику, характеризующиеся хорошим сочетанием характе.
ристик и относительно малой стоимостью. В тех случаях
когда требуется особо гладкая поверхность, использую-^
сапфир. Важное достоинство подложек из оксида берил-
лия—высокая теплопроводность. Их можно применять дЛя
устройств с высокой удельной выделяемой теплотой. Однако
применение оксида бериллия ограничивается его токсич-
ностью. Подложки из рутила и феррита (граната) чаще
всего имеют прямоугольную или квадратную форму. Рекомен-
дуемые размеры подложек для БГИС следующие:

Ширина, мм........ 10	10	12	12	16	16	16	20	24	зд

Длина, мм......... 12	16	30	48	20	30	60	24	30	48

В технически обоснованных случаях размеры подложек
могут отличаться от приведенных. Толщина подложек долж-
на быть достаточной, чтобы обеспечить необходимые меха-
ническую жесткость и прочность БГИС.

С точки зрения технологии изготовления БГИС делят на
толсто- и тонкопленочные. Пассивные элементы толстопленоч-
ных схем и соединения в них изготовляют с помощью
трафаретной печати и отжига или путем пиролитического
осаждения. Толстая пленка —это проводящий, резистивный
или изолирующий слой материала толщиной более 0,25 мм
из специальной пасты.

После изготовления пассивной части БГИС и межсоедине-
ний производят установку бескорпусных полупроводниковых
приборов и микросхем в специально отведенные места и
присоединение их выводов к выводам подложки. Для
крепления к подложке приборов с гибкими и балочными
выводами используют различные стекла, термостойкие клеи,
ситаллы, а также клеи на основе компаундов. Широкое
применение нашли эпоксидные клеи холодного отверждения
на основе смолы ЭД-5 или ЭД-6. Толщина клеевого слоя
при этом должна быть не более 0,1 мм, диапазон рабо-
чей температуры полученного клеевого соединения со-
ставляет от—60 до + 110°С.

Для присоединения гибких выводов наибольшее распро-
странение получил термокомпрессионный метод, широко
используют также ультразвуковую и контактную сварку
сдвоенным электродом. На рис. 5.33, а приведена схема
монтажа бескорпусного прибора с гибкими выводами на
подложку: здесь 1 — гибкий вывод; 2 —активный элемент,
3 — контактная площадка; 4 —подложка.

Балочные выводы бескорпусных приборов присоединяют
сваркой сдвоенным электродом или давлением с косвенным
импульсным нагревом, а также пайкой импульсно нагревае-
мым инструментом.
Схема монтажа активных элементов с шариковыми вы-
водами приведена на рис. 5.33, б, где 1 — жесткий вывод
(шарик); 2 — активный элемент; 3 — контактная площадка;
4— подложка. При сборке активных элементов с шариковыми
выводами применяют совместное воздействие ультразвука,
теплоты и давления. Процесс монтажа ведут в защитной
атмосфере аргона или гелия с применением припоя на
специальных установках с точными механическими и опти-
ческими системами для размещения прибора на контактные
площадки подложки. Это связано с тем,что ни выводы

Рис. 5.33. Схема монтажа бескорпусных приборов на

подложку

приборов, ни контактные площадки подложки не могут не-
посредственно визуально контролироваться при установке
прибора; невозможен также и визуальный контроль качества
соединения после установки прибора.

Конструкция подложек с балочными выводами схематиче-
ски приведена на рис. 5.33, в. В керамической подлож-
ке 1 выполняют отверстия 4 под бескорпусные приборы
и микросхемы. Система межсоединений 3 на подложке
заканчивается балочными выводами 5, располагающимися над
отверстиями. Микросхема или приборы 2 монтируются снизу
в отверстия, поджимаются к балочным выводам подложки
своими контактными площадками и привариваются (или
припаиваются) к ним.

Конструктивно БГИС могут быть выполнены в корпусном
и бескорпусном вариантах. От применения того или иного
®аРИанта зависят тип герметизации и технология ее выпол-
нения. Наиболее распространена герметизация корпусом. При
этом БГИС наклеивают на основание корпуса эпоксидным
к°мпаундом, производят распайку или разварку проводников
связей, а затем приварку крышки корпуса к основанию. При
применении бескорпусных БГИС герметизация может быть
индивидуальной для каждой из БГИС и групповой для всех
БГИС в блоке. В первом случае БГИС обволакивают поли-
мерным материалом относительно большой толщины (до 1 мм)
Наибольшее распространение в качестве герметиков получи-
ли кремнийорганические вещества, так как наряду с удовлет-
ворительной защитой от механических и климатических
воздействий они обеспечивают хороший теплоотвод и техно-
логичность. При герметизации в блоке отдельные БГИС либо
не защищаются вообще, либо их поверхность покрывают
лаком (например, УР-231) для защиты от воздействия
производственной атмосферы. Блок после настройки вставля-
ют в герметичный кожух и герметизируют в нем.

При конструировании БГИС следует иметь в виду следую-
щее. Несмотря на то что толстопленочная технология обыч-
но дешевле тонкопленочной, ее использование связано с
применением больших по габаритам подложек (для схем
одинаковой сложности); при этом в толстопленочной БГИС
нельзя обеспечить точность номинала резисторов лучше чем
±1%, сами номиналы выше 5 МОм, рабочие частоты выше
3 МГц и емкости более 1 мкФ.

В корпусных БГИС толстопленочный резистор имее!
размеры не более 1,5 X 1,5 мм (при номинале до 10 МОм),
конденсатор емкостью 10—20 пФ имеет размер 2Х’2 мм,
кристалл с диодной структурой —0,5X0,5 мм, а кристалл
с транзисторной структурой —0,75X0,75 мм. Большинство
линейных ИС имеют размеры 1,5 X 1,5 мм, кристаллы со
структурами РТЛ и ДТЛ ИС —1X1 мм; кристаллы со
структурами МДП БИС —5X5 мм.

Рассчитывая площадь подложки, необходимую для проекти-
рования толстопленочной БГИС, следует учитывать, что
площадь, занимаемая проводниками, монтажными площад-
ками и зазорами между элементами, составляет до 80% общей
поверхности подложки. Гораздо меньшая доля площадки
приходится на проводники связей в тонкопленочных БГИС,
где они могут быть выполнены с шириной до 2 мкм.

С точки зрения допустимой мощности рассеяния толсто-
пленочная технология лучше тонкопленочной, особенно при
использовании подложек из оксида алюминия и бериллия.

Применение БГИС при конструировании вычислительной
аппаратуры дает возможность разработчику использовать как
известные, традиционные методы компоновки, так и получать
новые, оригинальные, часто уникальные конструкции.

При конструировании ЭВМ на корпусных БГИС следует
придерживаться традиционных уровней иерархии, например
БГИС-*- ячейкастойка (шкаф). При этом правила размеше-


ния БГИС на плате ячейки и общие принципы конструиро-
вания остаются в основном теми же, что и при исполь-
зовании обычных ИС.

При применении бескорпусных БГИС необходимо разра-
батывать новые методы компоновки, обеспечивающие не
только повышенную плотность размещения элементов, но
и хороший теплоотвод, надежные электрические соединения
и т. д. Примером использования бескорпусных БГИС служат
керамические ячейки, разработанные фирмой «Honeywell»
для больших систем (рис. 5.34, а, б). Основу ячейки, пред-

Рис. 5.34.

Конструкция

керамических ячеек БГИС (фирма «Honeywell»)

ставленной на рис. 5.34, а, составляет керамическая плата 5,
на которой методом трафаретной печати нанесены резисторы
и проводники межсоединений 6. На плату 5 приклеены
четыре тонкопленочные БГИС 2, на каждую из которых
надета керамическая рамка 1, к которой затем припаивают
керамическую крышку 3. Таким образом, на плате оказывают-
ся смонтированными четыре герметизированных БГИС 4
и ячейка является законченным разъемным узлом аппарату-
ры. Объединение ячеек осуществляется с помощью разъема 7.
Ячейка, представленная на рис. 5.34, б, в основном построе-
на по тому же принципу; на керамической плате 4 выпол-
нены все межсоединения и мощные резисторы 5. На плате
закрепляют тонкопленочную БГИС 1 с бескорпусными
элементами 2, которая защищается керамическими рамкой 6
и крышкой 3. Размеры БГИС почти равны размерам платы,
ито позволяет еще более увеличить плотность компоновки.
Теплоотвод в ячейках (рис. 5.34, а, б) осуществляют за счет
теплопередачи через керамическую подложку.

На рис. 5.35 показана схема установки БГИС на рамку
ячейки а на рис. 5.36 —способ организации межсоединений.
Основа конструкции ячейки —металлическая рамка с попереч-
ными перемычками 4, к которым приклеивают БГИС /
смонтированные из бескорпусных ИС 2. С обратной сто-
роны к перемычкам приклеивают печатную плату 5 с про-
водниками электрических связей. Соединение БГИС с печат-

Рис. 5.35. Конструкция ячейки с бес-
корпусными БГИС

Рис. 5.36. Схема электро-
монтажа между основанием
БГИС и коммутационной
платой

ной платой осуществляют навесными проводниками 7.
Ячейка имеет габаритные размеры 150X90X60 мм и пред-
назначена для установки в блок книжной конструкции, в ко-
тором она закрепляется на шарнирах. Электрическое объеди-
нение ячеек между собой, осуществляется навесными про-
водниками, впаиваемыми в металлизированные отверстия
печатной платы. Готовый блок после настройки монтируют
в герметизированный кожух, который затем заполняют
инертным газом. Таким образом осуществляется защита
бескорпусных приборов БГИС от воздействия внешней среды.
Теплоотвод от бескорпусных приборов и микросхем 2
осуществляют по следующему пути: бескорпусная ИС-’под-
ложка БГИС металлическая перемычка рамки -* боковые
поверхности рамки -> стенки блока. Для нормального тепло-
отвода необходимо обращать особое внимание на хороший
контакт между рамкой и стенкой блока. При необходимости
стенки блока следует выполнять в виде радиаторов для
увеличения поверхности теплоотдачи. Если и при этом
тепловой режим активных элементов превышает допустимый,
необходимо вводить принудительное охлаждение внутренней
полости блока охлажденным инертным газом или жидкостью,
для чего в корпусе блока йадо предусмотреть входной и
выходной штуцера.

На рис. 5.37 показана ячейка прямоугольной формы с га-
баритными размерами 158X95X 10 мм. Ячейка включает
Рис. 5.37. Внешний вид ячейки прямоугольной формы с БГИС

Глава 5. Основы конструирования транспортируемых ЭВМ
в себя 8 БГИС на поликоровом основании размером 24 X
ХЗО мм, размещаемых на металлических теплоотводах. Ца
каждой БГИС может быть размещено до 16 бескорпусных
ИС с проволочными выводами (по 16 выводов). На основа-
нии БГИС тоже размещаются пленочные резисторы и инди-
видуальный сглаживающий конденсатор, наклеиваемый на
основание БГИС. Все БГИС электрически объединяются с
помощью печатной платы, размещенной с обратной стороны

Рис. 5.38. Внешний вид ячейки круглой формы с БГИС

рамки. Нижняя часть печатной платы служит для паяного
соединения проводников плоского проводного кабеля.
Отсутствие разъемных соединений, плоскостность конструк-
ции, хороший теплоотвод обеспечивают надежную работу
ячейки в блоке ЭВМ.

На рис. 5.38 показана ячейка круглой формы с БГИС
и другими элементами. На основании ячейки из фольгиро-
ванного стеклотекстолита размещены БГИС в индивидуаль-
ном корпусе, БГИС без корпуса, резисторная сборка, моШ-
ные дискретные полупроводниковые транзисторы и диод-
Крепление ячейки в блоке ЭВМ производится по трем- втул-
кам по типу «этажерка». Электрические соединения междУ
ячейками осуществляются навесными проводниками, опаивае-
мыми на штырях, вмонтированных в плату ячейки.
Применение микрокорпусов. Безвыводные микрокорпуса
(сМ. гл. 3) находят все более широкое распространение в
ЭВМ. Этому способствуют следующие их преимущества по
сравнению с обычными корпусами или бескорпусными
интегральными схемами: высокая поверхностная плотность
размещения на платах, возможность автоматизации сборки
и демонтажа, отсутствие необходимости в дополнительной
герметизации, улучшенный теплоотвод; высокая плотность
расположения выводов (контактных площадок) по периметру
микрокорпуса (с шагом 1,25 мм —до 124 выводов, с шагом
0,63 мм —до 244 выводов; с шагом 0,5 мм —до 388 выво-
дов). Такая плотность выводов практически невозможна для

Рис. 5.39. Монтаж ИС в микрокорпусах на керамические
платы:

а — на поверхность платы; б — в окно; 1 — микрокорпус; 2 — печатный
вывод микрокорпуса; 3 — паяное соединение; 4 — проводник с контакт-
ной площадкой; 5 — керамическая плата

корпусов с жесткими выводами, а их фиксированное положе-
ние в отличие от бескорпусных микросхем с проволочными
выводами обеспечивает применение автоматизированной
посадки на печатные платы на основе стеклотекстолита или
керамики.

Применяют два способа установки ИС на печатные
(чаще всего керамические) платы (рис. 5.39): 1) непосред-
ственно на поверхность платы; 2) в перфорированные окна.
В последнем случае достигается большая плотность компо-
новки плат (практически вплотную друг к другу), однако
Исключается возможность использования достаточно большо-
го числа слоев проводников на плате. На рис. 5.39 услов-
но показан один наружный слой проводников. После уста-
новки микрокорпусов на предварительно подогретую плату
и ориентации их относительно контактных площадок с на-
несенными дозами припоя производится обдув микрокорпуса
СтРуей горячего воздуха, в результате чего припой расплав-
ляется и надежно соединяет контактные площадки микро-
Корпуса и керамической платы. На рис. 5.40 представлена
Многослойная керамическая плата с размещенными на ней
Интегральными схемами в микрокорпусах.
Рис. *5.40. Керамическая многослойная плата размерами 100X 100 мм с раз-
мещенными на ней микрокорпусами

В табл. 5.13 приведены сравнительные данные по плот-
ности и относительной трудоемкости монтажа микросхем
в различном конструктивном исполнении.

Таблица 5.13

Конструктивное оформление микросхемы	Плата	Плотность, крис- талл / см2	Относи- тельная трудоем- кость
Корпус с двухрядным расположением штырько- вых выводов	Многослойная или дву- сторонняя с узкими лини- ями	0,3—0,4	1,0
Плоский корпус с планар- ными выводами	Многослойная печатная	0,5-0,7	1,5
Микрокорпус	Многослойная керами- ческая	1,2-2,0	1,2
Бескорпусная микросхе- ма	Многослойная с керами- ческой подложкой	2,5-4,0	5,0
§ 53

СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭВМ

Проблема отвода теплоты —одна из наиболее важных в
транспортируемых ЭВМ. Это связано с требованием обеспе-
чения в таких машинах высокой плотности размещения
элементов, что неизбежно влечет за собой концентрацию
выделяемой активными элементами теплоты в ограниченном
объеме. Поэтому в транспортируемых ЭВМ наряду с тради-
ционными способами охлаждения (теплопроводностью,
естественным и принудительным возбудимым, см. гл. 4)
используются другие способы, 'обладающие существенно
большей интенсивностью теплоотвода: жидкостные и испа-
рительные системы, тепловые трубки. Однако эти способы
отличаются конструктивной сложностью, поэтому исполь-
зуются только в технически обоснованных случаях.

Система охлаждения теплопроводностью и конвекцией
воздуха в транспортируемых ЭВМ обладает существенно боль-
шим КПД, чем в стационарных ЭВМ. Например, в борто-
вой ЭВМ космического корабля «Аполлон-17» печатные
платы с тепловыделяющими элементами размещались на
металлической пластине, имеющей хороший тепловой
контакт с корпусом машины. Оребренный массивный корпус
ЭВМ служит как бы естественным радиатором. Охлаждение
теплопроводностью для космической аппаратуры необходимо,
так как отсутствие атмосферы не позволяет рассчитывать
на охлаждение аппаратуры путем конвекции.

Примером эффективного использования принудительной
конвекции могут служить пустотелые платы фирмы «Singer
Kearfott», применяемые для построения самолетных ЭВМ.
Конструкция пустотелой платы (рис. 5.41) представляет собой
«сэндвич» из двух плат, смонтированных обратными сторо-
нами друг к другу на рамке с фланцами, отделяющей
платы друг от друга и создающей канал, по которому
подходит воздух. К обратной стороне каждой печатной
платы подходит теплоотводящая плата, выполняющая роль
промежуточного звена между печатной платой и потоком
воздуха.

Воздух поступает в приточное отверстие с левой стороны
Рамки, выходит с ее правой стороны и поступает в при-
точное отверстие следующей рамки. Пустотелые платы успеш-
но понижают температуру БИС на большую величину,
чем это удается выполнить в обычных конструкциях (эф-
фективность теплоотвода в них примерно в 10 раз выше,
чем в традиционных конструкциях).

Использование жидкостных и испарительных систем
охлаждения. При дальнейшем увеличении плотности монтажа
Рис, 5.41. Конструкция пустотелой платы:

1 — ролики с фланцами; 2 — выход воздуха; 3 — О-образное кольцо; 4 — печатная
плата; 5—плоский корпус с БИС; 6—плата, отводящая теплоту; 7—вход
воздуха

воздушное охлаждение становится недостаточным и в систе-
мах отвод теплоты от теплонагруженных частей конструкции
следует осуществлять жидкостью. Так, цифровая ИС, собран-
ная в обычном корпусе и перегревающаяся на воздухе при
мощности рассеяния не более 250 мВт, в случае охлажде-
ния жидкостью будет надежно работать при мощности
рассеяния 10 Вт. Еще больший эффект может быть достиг-
нут использованием испарительной системы охлаждения,
когда элементы нагреваются до температуры кипения и
испарения жидкости. При образовании и удалении пара с
поверхности нагретых элементов имеет место интенсивный
отвод теплоты. Масса испаряющейся жидкости, например
воды, оказывается небольшой (1,6 кг/ч на 1 кВт мощности
рассеяния). Однако охлаждение такой системы целесообраз-
но для блоков, поверхность которых нагревается до темпера-
туры свыше 100°С.

Жидкость, применяемая для охлаждения, должна: быть
химически инертной по отношению к материалам, исполь-
зуемым при изготовлении микросхем и полупроводниковых
приборов; иметь низкую диэлектрическую проницаемость,
благодаря чему скорость распространения сигналов вдоль
межсоединений ИС останется высокой, а потери —незначи-
тельными; иметь минимальную вязкость, что облегчает перо-
качку ее в системе охлаждения насосами и исключает повреж-
дения элементов.

При использовании жидкостно-испарительной системы
охлаждения температура кипения жидкости должна быть ниже
предельной рабочей температуры ИС.

Всем этим требованиям в большей или меньшей степени
отвечают фторорганические жидкости, например фреоны,
имеющие низкую температуру кипения. Водой целесообраз-
но охлаждать элементы, допускающие нагрев до 100°С.
Для жидкостного охлаждения применяют также некоторые
масла, например силиконовые.

В табл. 5.14 приведены основные типы жидкостей и
их параметры, применяемые в жидкостных и испарительных
системах охлаждения.

Таблица 5.14

Рабочая жидкость	Температура				Теплота парооб- разова- ния, кДж / кг	Плот- ность, кг/ м3
	кипения		плавления			
	к	°C	к	°C		
Вода	373	+100	273	0	2259	1000
Этиловый спирт	351	+78	158	-115	860	790
Аммиак	240	-33	195	-78	1370	683
Углекислота	194	-79	216	-57	575	1155
Фреон-142	263	-10	143	-130	224	1205
Фреон-12	243	-30	118	-155	170	1394
Фреон-22	232	-41	113	-160	234	1285
Фреон-14	145	-128	89	-184	143,5	1960

Динамику изменения теплоотводящих свойств жидкостей
при повышении температуры нагревающего тела можно
проследить по графику, представленному на рис. 5.42. Вид
Кривой на графике характерен для большинства жидкостей,
Различие лишь в числовых значениях координат характерных
точек. По оси х откладывают значения температуры t нагрева
охлаждаемого жидкостью тела, по оси .у —значения отводи-
мого теплового потока. Участок АВ кривой соответствует
Наличию естественной конвекции. Теплота отводится конвек-
цией до тех пор, пока пузырьки пара не начнут поднимать-
Рис. 5.42. Динамика изме-
нения теплоотводящих
свойств жидкостей от темпе-
ратуры

ся с поверхности тела (точка В на кри-
вой) и приводить жидкость в движение
В результате теплота отводится быстрее
чем при естественной конвекции, и
тепловой поток резко возрастает. Учас-
ток от В до С называют областью
пузырькового кипения. В точке С—мак-
симуме области пузырькового кипения —
образуется такое количество пузырьков
что они стремятся слиться и распро-
страниться по всей поверхности нагре-
того тела. В этом режиме ИС начи-
нает перегреваться. Участок кривой
от С до D называют областью пле-

ночно-пузырькового кипения. В этой области на поверхно-
сти тела может образоваться неустойчивая пленка пара,
которая затем под действием циркулярных токов жидкости

может изменять свои размеры и форму и даже исчезать.
Тепловой поток уменьшается до точки D, так как в этой
области не происходит нормального переноса теплоты (обыч-
но кривая процесса скачком переходит от точки С к точ-
ке D, затем поднимается до тех пор, пока в точке Е не
происходит расплавление материала нагревающего тела).

При охлаждении жидкостями БГИС особое внимание
уделяют тому, чтобы движущиеся потоки жидкости не
разрывали проволочные соединения. Здесь следует помнить,
что при умеренных скоростях движения жидкости (поряд-
ка 3 м/с) такие разрывы не имеют места. Действующие
в этом случае на золотую проволоку диаметром 25 мкм
подъемная сила и обусловленная движением жидкости
увлекающая сила (равные соответственно 75 и 54 мН/см)

меньше массы проволоки, что гарантирует проволоку от
разрыва. При больших скоростях движения жидкости следует

предусматривать меры защиты проволок от разрыва.

Жидкостное охлаждение, так же как и воздушное, может
быть естественным и принудительным. При использовании
естественного жидкостного охлаждения охлаждаемые элемен-
ты погружают в резервуар, содержащий отвечающую всем
требованиям жидкость. Теплота от нагревающихся элементов
передается жидкостью внутренним стенкам резервуара
путем естественной конвекции. Внешние стенки резервуара
охлаждаются с помощью системы воздушного естественного
или принудительного охлаждения. Для ускорения процесса
отвода теплоты и уменьшения температуры элементов
внутренние и внешние поверхности резервуара выполняют
с максимально допустимой площадью.

Система естественного жидкостного охлаждения включает
в себя герметичный резервуар (для предотвращения загряз-
нения и вытекания жидкости), в котором предусматривают
возможность компенсации температурного изменения объема
жидкости, а также обеспечивают легкость доступа к элементам
и максимальное давление жидкости.

Система принудительного жидкостного охлаждения может
представлять собой как простой теплообменник с насосом,
так и сложный комплекс, включающий насос, вентилятор,
регулирующий клапан, фильтры и измерительные приборы.
В обоих случаях система является замкнутой.

При косвенном охлаждении теплоотводов (см. рис. 4.60)
пли шасси, на котором смонтированы элементы, выбор
жидкости определяется в основном ее теплоотводящими
свойствами, а не диэлектрическими характеристиками.
В устройствах, рассеивающих значительные количества
теплоты, элементы размещают в резервуаре с охлаждающей
жидкостью. Как в том, так и в другом случае охлаждающая
жидкость интенсивно перемещается по всей системе с
помощью насоса. Режим перекачки и степень охлаждения
регулируют с помощью специальной системы управле-
ния.

В испарительных системах пары испаряющейся жидкости,
удаляются от охлаждаемых элементов и конденсируются
в специальном устройстве. Конденсированная жидкость насосом
вновь подается в охлаждаемую полость.

Применение тепловых труб. В основу работы тепловых
труб (ТТ) положены два физических явления: передача
теплоты с потоком пара и капиллярный эффект (рис. 5.43).
Процесс использования рабочей жидкости в испарительной
части ТТ сопровождается большим поглощением теплоты,
определяемым теплотой парообразования используемой
жидкости. При этом давление в зоне испарения повышается.
Пар под избыточным давлением, а с ним и тепловая энергия посту-
пают в конденсационную
часть ТТ. Стенки конден-
сационной части ТТ име-
ют более низкую темпе-
ратуру, что вызывает
конденсацию пара, умень-
шение его давления и
Вь1деление тепловой
энергии. Испарение про-
исходит при постоянной
температуре и пар сохра-
няет эту температуру до
4о встречи с более холод-
ной поверхностью, а тем-
f2"8S0

 3

□Ж

шиш,.

Фитиль

гтжптп

5

6

4

Рис. 5.43. Принцип действия тепловой трубы:
1 — вход теплоты; 2— путь пара; 3 — выход теплоты;
-/—конденсационная часть; 5—оболочка; 6 — испа-
рительная часть
пература по длине ТТ стремится быть постоянной. Это и обус
ловливает высокую осевую теплопроводность ТТ. Возврат кон'
денсированной жидкости происходит либо за счет применения
циркуляционного насоса, либо с использованием гравитационных
сил (термосифонный эффект), либо за счет капиллярного эффекта
Капиллярный эффект проявляется в материале (фитиле) с малыми
сообщающимися порами и хорошей смачиваемостью. Возника-
ющие между жидкостью и стенками силы поверхностного
натяжения заставляют жидкость двигаться в сторону испари-
тельной части. Работа таких ТТ не требует затраты внешней
энергии и мало зависит от сил гравитации.

Рис. 5.44. Схема охлаждения с помощью тепловых труб, конден-
сационные части которых охлаждаются движущимися потоками
воздуха (а) или жидкости (б):

/ — охлаждаемая часть аппаратуры; 2—тепловые трубы; 3 — вентилятор;
4 — поток воздуха; 5—труба с охладителем; 6 — направление движения
охладителя

Для охлаждения аппаратуры тепловые трубы устанавлива-
ются непосредственно вблизи теплонагруженных узлов,
блоков, элементов, а их конденсационные части размещаются
вне аппаратуры или в тех зонах, температура которых
заведомо ниже охлаждаемых зон. При этом конденсационные
части могут дополнительно охлаждаться движущимися пото-
ками воздуха или циркулирующей жидкостью (рис. 5.44).

К основным факторам, влияющим на характеристики ТТ
и ее конструкцию, относятся: максимальный передаваемый
тепловой поток, определяемый динамикой течения пара
и жидкости, максимальный удельный тепловой поток в
испарительной части, рабочий температурный диапазон,
обусловленный типом рабочей жидкости.

Физические свойства рабочей жидкости, используемой
в ТТ, особенно теплота испарения, поверхностное натяжение,
плотность и вязкость жидкости, определяют теплоотводяшУ10
способность тепловой трубки. Так как эти свойства зависят
от температуры, то и характеристики ТТ, работающей с задан'
ной жидкостью, также зависят от температуры, поэтому
Глава 5. Основы конструирования транспортируемых ЭВМ 355
конкретная жидкость будет наиболее эффективно работать
в определенном температурном диапазоне.

Тепловой поток определяется и ограничивается предельной
способностью по всасыванию капиллярной структуры (фити-
ля), конфигурацией ее ячеек и свойствами жидкости. Капил-
лярные структуры ' изготовляются из спекаемых частиц,
тканых сеток, стеклянных волокон, сочетания продольных,
спиральных и других канавок или путем комбинации ука-
занных структур. Корпус ТТ может выполняться различной
формы из металла, керамики и других материалов При-
менение керамики обеспечивает достаточно высокую тепло-
проводность. В табл. 5.15 приведены данные по тепловому
потоку ТТ при различных видах жидкости и материалах
стенок труб.

Таблица 5.15

Рабочая жидкость	Материал стенок труб	Температур- ный диапа- зон, °C	Измеренный осевой теп- ловой поток, кВт/см2	Измеренный поверхност- ный поток, Вт/см2
Жидкий аммиак	Никель, алюминий,	.-40-+60	0,3	3,0
Метиловый	сталь нержавеющая Медь, никель, сталь	-45- +120	0,45	7,5
спирт Вода	нержавеющая ’Медь, никель	+5- +230	0,67	14,8

Тепловые трубы могут служить эффективной заменой твер-
дых теплоотводов при необходимости обеспечения минималь-
ных перепадов температур. Например, ТТ длиной около 600 мм
и диаметром 13 мм может передать ~ 200 Вт при температуре
Ю0°С. При этом падение температуры в процессе передачи тепло-
ты составит около 0,5°С. Если для охлаждения использовать
медный стержень тех же размеров, то при поддержании на
его концах разности температур ~ 70°С он смог бы передать
лишь 5 Вт. Если же увеличить диаметр медного стержня до
таких размеров, чтобы он мог передать мощность ~ 200 Вт,
то его масса составит около 25 кг. Укажем для сравнения,
что масса рассмотренной ТТ равна всего 350 г.

По назначению различают тепловые трубы для пере-
носа теплоты, трансформации тепловых потоков, терморегули-
рования, термостатирования.

По диапазону рабочих температур тепловые
Д’Убы бывают: криогенные (0—200  К), низкотемпературные
1200-550 К), среднетемпературные (550—750 К), высокотемпера-
турные (выше 750 К), высокотемпературные из тугоплавких
МаТериалов (выше 1300 К).
По составу теплоносителей тепловые трубы могу
быть однокомпонентные, многокомпонентные, газонаполненные

По типу рабочей жидкости различают тепловые
трубы: жидкостные, с металлическим и неметаллическим
рабочим телом.

По конструкции фитиля тепловые трубы могут быть
бесфитильные, с простыми, составными и артериальными фитц.
лями.

По типу фитиля различают тепловые трубы: сеточные
порошковые.	’

По геометрической форме тепловые трубы могут
быть цилиндрические, плоские, гнутые, гибкие, коаксиальные
комбинированные.

Наиболее широко применяются цилиндрические ТТ с вло-
женным трехслойным сетчатым фитилем. Самая мелкая и тон-
кая сетка располагается у внутренней стенки корпуса ТТ.
Цилиндрические ТТ просты в изготовлении, однако их эф-
фективность работы зависит от положения ТТ (горизонтальное
или вертикальное) или от наличия гравитационного поля.

Исходными данными для расчета цилиндрической ТТ явля-
ются: отводимая тепловая нагрузка (Q, Вт), допустимая темпе-
ратура ([(„], °C) поверхности ТТ в испарительной зоне, тем-
пература окружающей среды (гос, °C), коэффициент теплоотдачи
[ а, Вт/(м2 • град)], толщина стенки корпуса ТТ ( 6СТ, м), толщина
фитиля (6 ф, м), наружный диаметр ТТ (J, м), длина испари-
тельной зоны (£и, м), длина пути транспортирования пара
(£гр, м), тип рабочей жидкости с определенными значениями
плотности (еж, кг/м3), теплопроводности [лрж, Вт/(м • град)],
поверхностного натяжения (ож, Н/м), динамического коэффи-
циента вязкости в жидком (цж, Па-с) и парообразном (цп,
Па-с) состояниях, теплоты парообразования ((?п, Дж/кг), плот-
ности в парообразном состоянии (оп, кг/м3), теплопроводность
материала корпуса ТТ [ I кор, Вт/(м • град)], половина размера
ячейки сетки на просвет (b, м), толщина сетки фитиля (Sc,.
м), толщина фитиля в испарительной (6И , м) и конденсацион-
ной зонах (fi к, м).

При расчете принимаются следующие допущения: а) тепло-
вое сопротивление фазовых переходов жидкость —пар и пар"
жидкость равно нулю; б) тепловое сопротивление вдоль оси
ТТ равно нулю; в) эффективная радиальная теплопроводность
в любой точке внутри корпуса ТТ постоянна.

Нижняя граница зоны температур рабочей жидкости

^1=[7и] Сметах toe min)-	(5.17)

Тип рабочей жидкости подбирается из условия, что ее
температура плавления (пл должна быть меньше fv

Для многослойного фитиля, выполненного из сеток с ра3'
личными размерами ячеек на просвет, определяются средние
размеры ячейки Ьср и диаметра проволоки </пр.ср. :

l'cj,=(bi+b2 + ... + bn)/n\ dnpcp = 0,5SCT.	(5.18)

По площади наружной поверхности испарительной зоны
5,= ndL„ определяется удельный тепловой поток в испари-
тельной части:

<7h==Q/S„.	(5.19)

Для ТТ, работающих в режиме испарения, ограничение
локального теплового потока определяется закипанием жид-
кости в испарительной части. Начало закипания происходит
при определенных значениях температуры и давления. Для
воды и спирта можно воспользоваться выражением

t№3=cPn,	(5.20)

где t нз~ температура начала закипания рабочей жидкости, °C;
Р-давление окружающей среды, мм рт. ст.; С, л —коэффици-
енты пропорциональности.

Эффективная теплопроводность фитиля

7-эфф = ХрЖ(1 -Г 1 /(8 • 1036ср-Г 1,35)).	(5.21)

Допустимый удельный тепловой поток в испарительной
части ТТ

[?.]=(W^-	(5.22)

Если условие <2/{[<7и] лЛи} не выполняется, то про-
изводят замену геометрических размеров ТТ или выбирают
другой тип рабочей жидкости и расчет повторяют.

Необходимое для передачи без потерь теплового потока
соотношение размеров испарительной и конденсационной частей
определяется так:

дг _	(1/а+6<-т/Хсг4-6ф/>.Эфф)/_

S„{([/„]- /„ )/(?} -	- 6ф Д,фф ’	(

где Хсг — теплопроводность материала стенки ТТ, Вт/(м-град).

Площадь поверхности конденсационной части из (5.23)

5К = М5И,	(5.24)

откуда длина конденсационной части

LK = SK/(nd).	(5.25)

Разность температур окружающей среды и стенки конденса-
ционной части ТТ

<5-26)
где ак —коэффициент теплопередачи между стенкой конденса-
ционной части и окружающей средой, Вт/(м2 • град).

Если d„-диаметр парового канала, м (dn = d— 26СГ -2§ФЛ
и	то разность температур пара рабочей жидкости

и окружающей среды
(5.27)

Разность температур окружающей среды и стенки испари-
тельной части

а температура стенки испарительной части

Для тепловых труб
значения ДГо-п, и
образом:

Ai — Z0.c-|-А/о.п-	(5.29)

с соотношением размеров d/dn>\$
и t'u определяются следующим

Q / /цТг/п , /,,гп/г2 \

где £к-длина конденсационной части ТТ, м; г, =0,5(W-2бс, —
-2бф); г2= 0,5(<7-2г> С1); гп = 0,5</.

Тогда

и

И< — /о-с Т АГ,,.,, ~Г ST!,.„ -|- Д7„.и.	(5.32)

Производится проверка условия ги (или	и, если

оно не выполняется, перебор геометрических размеров ТТ,
фитиля и типа рабочей жидкости.

Площадь сечения фитиля (жидкостного канала)

Гф = л/4[(d - 26ст)2 - (d - 26,, - 26ф)2].	(5.33)

Площадь сечения парового канала

F„ = n/4[(d - 26ст - 26ф)2].	(5.34)

Минимальный радиус кривизны мениска в испарительной
части	..	„г.

/?и(Ги) = 6т|П/со50,	(5.35)

где 0 — угол смачиваемости, град.

Хорошо очищенные от органических загрязнений поверх-
ности металлических деталей смачиваются водой или этило-
вым спиртом, образуя при этом угол fl «60°.

Максимальный тепловой поток ТТ

„________________4^Гф(Эпа(<и)//?(Г„)_________	(5.36)

Утах“ (<ДМ . , 2|ЬДТ) . , Цж(/„) . , 64^,.L^ ’

оД/к) + еДМ + еД/Д ”•	Q..d2F„

где о — проводимость системы нагреватель -* ТТ охлаждаюшаЯ
жидкость, Вт/град; к— коэффициент проницаемости фитиля;
еп —плотность пара, кг/м3; Тк,	- длина конденсацион-

ной, транспортной и испарительной частей ТТ, м; L —длина
ТТ м; /и, tK, Л — индексы при t указывают, что свойства
рабочей жидкости, взяты соответственно при температурах в
испарительной, конденсационной и транспортной частях ТТ.

Выражение (5.36) действительно для случая, когда ТТ
расположена вертикально, а конденсационная часть —в верх-
ней части тепловой трубы (ТТ работает по направлению сил
тяжести).

Максимальный тепловой поток ТТ, работающей против сил
тяжести,

2a//?(L„) — Q^asintp

^max (LK+2LT+L„) Нж/(2ЛежГф<211)+16И„/(е„й^„(?,1) ’	(5-37)

где <p — угол наклона ТТ относительной горизонтальной плос-
кости, град; g— ускорение свободного падения, м/с2.

Если Qmax (или Qmax')> Q, то производится перерасчет при
новых значениях параметров системы охлаждения.

Если не выполняется условие

(?/5к>ак(/|1Л-/ос),	(5.38)

где /пл-температура плавления рабочей жидкости, °C, то
жидкость может замерзнуть. Поэтому при невыполнении усло-
вия (5.38) проводят перерасчет системы при измененных началь-
ных условиях.

Расчет массы рабочей жидкости проводится из условия
полного заполнения фитиля. Избыток рабочей жидкости ухудша-
ет теплофизические параметры, ее недостаток вызывает перегрев
окончания испарительной зоны, куда может не поступать
рабочая жидкость.

Масса рабочей жидкости

трж = nep«a[(d —26С1)2 — (d — 26ст — 26ф) 2]/4,	(5.39)

где е— коэффициент пористости фитиля (для сеток из нержа-
веющей стали е =0,7).

Расчет параметров тепловых труб й системы охлаждения
на их основе с использованием выражений (5.17) —(5.39) можно
проводить на ЭВМ по алгоритму, схема которого приведена
на рис. 5.45.

Использование термоэлектрических устройств охлаждения.
Способ охлаждения, в основе которого лежит эффект Пельтье,
используется в тех случаях, когда требуется термостабилизи-
ровать отдельные, чувствительные к температуре элементы или
Узлы или же когда использование других систем охлаждения
по каким-либо причинам нецелесообразно. Термоэлектрические
Устройства охлаждения —твердотельные приборы, не содержа-
ние движущихся частей. Действие их основано на охлаждении
или нагреве места контакта между двумя различными про-
бниками при прохождении по нему тока в определенном
направлении. Скорости выделения или поглощения тепла
Рис. 5.45. Схема алгоритма расчета тепловой
трубы

и

пропорциональны току и
зависят от температур^
контакта.

На рис. 5.46 приведена
схема охлаждения кор.
пуса БИС с большим
тепловыделением путем
установки на него охла-
ждающего термоэлемен-
та. Полупроводники р.
и- и-типа образуют эле-
менты термоэлектри-
ческой пары и припа-
иваются к соединитель-
ным полоскам из меди.
Керамическая пластина
обеспечивает электри-
ческую изоляцию. В ка-
честве полупроводнико-
вого материала использу-
ются легированный тел-
лурий висмута, теллурид
свинца или другие спла-
вы. При подключении
термоэлемента соответ-
ствующим образом к
источнику питания мед-
ные полоски на корпусе
БИС охлаждаются, отби-
рая теплоту, выделяемую
ИС. На противополож-
ных полосках меди в это

же время выделяется теплота, рассеиваемая радиатором.

Стабилизация температуры корпуса БИС обеспечивается

Таблица 5.16

Материал	Температура Т, °C	Степень черноты £
Алюминий полированный	50-500	0,04-0,06
Алюминий сильно окислен	50-500	0,2-0,3
Дюралюминий Д-16	50-350	0,37-0,41
Масляные краски	100	0,92-0,96
Лак черный матовый	40-100	0,96-0,98
Лак светлый	40-100	0,8-0,95
Картон, бумага, ткань	20-300	0,93
Краски эмалевые	20-100	0,92
Краска защитно-зеленая	20	0,90
соответствующей регулировкой тока,
протекаюшего через термоэлемент.

Эффективность охлаждения тер-
моэлектрической парой может быть
оценена разностью температур между
холодной и горячей сторонами термо-
элемента ДТ и коэффициентом

Кафф =(Qhc/Qhu) ’ । 00 %,

где Q ис — поглощаемая от БИС мощ-
ность, Вт; 2ип —мощность, подводи-
мая источником питания, Вт.

Так как в термоэлементе электри-
ческая мощность используется прежде
всего для переноса, а не для гене-

Рис. 5.46. Схема охлаждения
корпуса БИС термоэлементом:
/ — печатная плата; 2 — корпус
БИС; 3 — керамическая плата; 4 —
медная полоска; 5 — радиатор

рирования теплоты, при определен-

ных условиях значения коэффициента /Сфф может превосхо-
дить 100%. Отметим, что величина ДТ в вакууме на 10—15%
выше, чем в воздухе.

Передача теплоты излучением. Любое нагретое тело в той
или иной степени излучает или поглощает теплоту. Излуче-
ние тепловой энергии происходит в виде электромагнитных
волн, главным образом в диапазоне длин волн 0,3—10 мкм.
При' передаче теплоты излучением удельную тепловую про-
водимость называют коэффициентом лучистого .теплообмена
и обозначают ал. Излучаемую энергию определяют по закону
1 Стефана—Больцмана: •

КУд.л = С(7-/100)4,

где Руд л — удельный лучистый тепловой поток, Вт/м2; С-
коэффициент излучения тела, Вт/(м2-К4); Т— температура поверх-
ности тела, К.

Для абсолютно черного тела С=СО = 5,67 Вт/(м2-К4), для
реальных тел С= в Со. Величину е называют степенью чер-
ноты, значения ее для некоторых материалов приведены в
табл. 5.16.

Как видно из табл. 5.16, необработанные поверхности обла-
дают большим значением в, чем хорошо обработанные поверх-
ности. Если тело находится в какой-либо охлаждающей среде,
то удельный тепловой поток излучаемой энергии определя-
ется уравнением

Луд.., = еСоКГ) /1 ОО)4—(Тг/1 ОО)4],

где — абсолютная температура поверхности охлаждаемого
Тела, К; Т2~ абсолютная температура окружающей среды, К.
§ 5.4

ЗАЩИТА ЭВМ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ

АГРЕССИВНОЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

В гл. 1 были перечислены основные климатические фак-
торы, оказывающие влияние на работоспособность ЭВМ в
процессе ее эксплуатации. При этом отмечалось, что вид
воздействующего фактора, а также его интенсивность и степень
влияния зависят от типа климатической зоны и высоты над
уровнем моря. Рассмотрим основные направления воздействия
климатических факторов и меры борьбы с ними.

Влияние климатических факторов на конструкцию. Влия-
ние климатических факторов на конструкционные материалы
выражается главным образом в возникновении процессов кор-
розии, потере механических и диэлектрических свойств, изме-
нении электропроводности и т. п. Реакция на воздействующий
фактор, степень и скорость изменения свойств конструкцион-
ного материала в зависимости от его природы различны.
Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электро-
химическую природу, но причина во всех случаях одинакова:
переход корродирующего металла в более стабильное перво-
начальное состояние, из которого он был получен с затратой
большой энергии. Процесс коррозии всегда связан с отдачей
энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, т. е.
без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии
протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии
растворение металла (возникновение новых’ соединений) про-
исходит с участием электролита, т. е. воды.

Различают три вида коррозии: равномерную, неравномерную,
межкристаллическую.

При равномерной коррозии процесс распространяется посте-
пенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности
металла.

Неравномерная коррозия ограничивается отдельными места-
ми и возникает, например, вследствие нарушения защитного
покрытия.

Коррозия межкристаллическая характеризуется проникнове-
нием в глубь металла путем разрыва структуры и распростра-
нением вдоль границ кристаллов. Рассмотрим коррозионную
стойкость важнейших металлов, применяемых при производ-
стве ЭВМ.

Алюминий вследствие самопроизвольного образования
на его поверхности стабильной пассивирующей защитной
пленки относится к наиболее устойчивым к атмосферной
коррозии металлам. Естественная оксидная пленка на его
поверхности имеет толщину 0,01—0,02' мкм. Сплавы алюми-
ния с магнием и марганцем отличаются высокой коррози-
онной стойкостью даже в морской атмосфере, содержащей
хлориды.

Реакция меди на агрессивную атмосферу заключается в
образовании защитного слоя. Однако прочность этого слоя
значительно меньше, чем у алюминия, вследствие чего
вероятность разрушения, например медных проводников,
сравнительно большая. Сплавы меди с никелем, кремнием,
оловом и другими металлами более устойчивы к коррозии
и сохраняют свои свойства при воздействии влажного
теплого климата, промышленной атмосферы и морского ту-
мана.

Скорость коррозии у стали в значительной мере зависит
от состава окружающей атмосферы. Повышенное содержание
хлоридов, SO2 и СО2 (промышленная и морская атмосфера)
значительно увеличивают скорость протекания процесса
коррозии стали. На скорость коррозии стали также влияют
химический состав, режим термообработки и состояние поверх-
ности. Повышение содержания углерода в стали снижает
стойкость к морскому климату; марганец и сера не изме-
няют коррозионной стойкости; фосфор способствует возник-
новению коррозии в промышленной атмосфере; медь, хром
и никель повышают стойкость к коррозии. Стали с содержанием
хрома более 12% называют нержавеющими;

Сплавы олова и свинца, используемые в качестве припоев,
характеризуются средней коррозионной стойкостью. С течени-
ем времени эти сплавы покрываются неэлектропроводным
пассивным слоем, толщина которого растет со скоростью
0,43—0,69 мкм/год в промышленной атмосфере, 0,41—
0,56 мкм/год на морском побережье и 0,23—0,48 мкм/год
при континентальном климате.

Наличие в атмосфере кислот, щелочей, солей в большин-
стве случаев ускоряет процессы коррозии.

Воздействие агрессивной атмосферы на изоляционные
материалы выражается в поглощении ими влаги, ухудше-
нии диэлектрических свойств и постепенном разрушении.
Изоляционных пластмасс, не поглощающих влаги, не су-
ществует. Количество проникшей влаги и время ее про-
никновения неодинаковы для различных материалов. Про-
никновение влаги в изоляционные материалы может быть
капиллярное и диффузионное. Капиллярное проникновение
имеет место в случае наличия в материале грубых микро-
скопических пор, трещин и других дефектов. Так как в
Микроэлектронике применяют только высококачественные
изоляционные материалы, то они практически свободны
от таких дефектов. Поэтому в данном случае существенно
большее значение имеет процесс диффузионного проникно-
вения, который заключается в заполнении промежутков
между молекулами материала молекулами воды. При этом
перемещение молекул воды происходит в сторону меньшей
их концентрации. Таким образом, при повышенной влажности
молекулы воды проникают внутрь материала, а в сухой
теплой атмосфере —из материала. В первом случае имеет
место поглощение влаги, во втором —высыхание. Количество
влаги, диффундирующее за некоторый промежуток времени
в изоляционный материал, может быть рассчитано на осно-
вании первого закона Фика:

dm/dt=—DF(dp/dx),	(5.40)

где т — диффундирующая масса; / — истекшее время; D —
постоянная диффузии; У7—размеры плоскости, перпендикуляр-
ной направлению диффузии; Р— парциальное давление
водяных паров; х— текущий путь диффузии.

Для твердого диэлектрика, находящегося во влажной
атмосфере, (5.40) может быть преобразована к виду

, РаСг — ttlft . ..	.

/71 — paCF 1-------——--------—

L РаСр

(5.41)

где /^ — наружное парциальное давление водяных паров;
cF — сорбционная емкость материала диэлектрика, т. е. макси-
мальное количество влаги, которое может проникнуть в
диэлектрик при данном ра\ т0 — начальное, исходное количе-
ство влаги в диэлектрике; — влагосопротивление, опреде-
ляемое отношением x/(J)Fx); Fx — поверхность сечения материа-
ла на глубине х.

Для (5.41) принимает вид

| М=1тт=раС/,	(5.42)

что соответствует концентрации насыщения, т. е. состоянию,
когда изоляционный материал не может больше воспринимать
влагу. В результате процесс выравнивания заканчивается
и парциальное давление пара внутри диэлектрика становится
равным парциальному давлению вне его. Отсюда аналитиче-
ски сорбционная емкость выражается как отношение макси-
мального количества влаги, воспринимаемого диэлектриком,
к выровненному парциальному давлению паров воды внутри
материала диэлектрика и вне его.

Если в (5.42) PaCf>m0, то это означает, что материал
поглощает влагу; если же mQ>pacF, то это соответствует
случаю отдачи влаги материалом окружающей среде.

Поглощение влаги диэлектриком ведет к уменьшению его
сопротивления изоляции, увеличению диэлектрических потерь,
набуханию, механическим повреждениям. В табл. 5.17 при-
ведены значения влагопоглощения в процентах некоторых
Таблица 5.17

1  Материал	Влагопогло- шение, %	Материал	Вдагопогло- щение, %
		  Пеностекло	5	Текстолит	0,8-1,5
Полиамид 68	2,5-10	Поликарбонат	0,16
Капрон	3,5-10	Пресс-порошок К-21-22	0,1
Гетинакс	1-2,5	Пресс-порошок АГ-4	0,02-0,1
Стеклотекстолит	1,5	Полистирол	0,006

диэлектриков, применяемых при конструировании микро-
электронных ЭВМ

Плесневые грибки как один из сильнейших биологических
факторов также могут отрицательно воздействовать на
работоспособность аппаратуры. Для развития плесени не-
обходимы большая относительная влажность воздуха (80—
100%) и температура 25—37°С (см. гл. 1). Такие условия
естественны для стран с тропическим влажным климатом,
однако они могут возникнуть искусственно в помещениях,
где эксплуатируется аппаратура. Среди материалов, применяе-
мых в микроэлектронной аппаратуре, наибольшее воздействие
плесень оказывает на те, которые имеют органическую
основу. Изоляционные материалы на основе целлюлозы
(прессшпан, текстолит, гетинакс и т. д.) теряют механическую
прочность и электрические показатели. У прессшпана разру-
шение может привести к полному распаду материала.
У текстолита и гетинакса наибольшему воздействию гриб-
ков подвергаются места среза. Из лаков наибольшему
воздействию плесневых грибков подвергаются глифталевые,
хорошей стойкостью против грибков обладают уретановые
лаки.

Способы защиты от воздействия агрессивной внешней
среды. Для защиты поверхности металлических и неметал-
лических материалов от агрессивной внешней среды при-
меняют различные покрытия, которые по назначению делят
на три группы: защитные, защитно-декоративные и спе-
циальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты деталей
от коррозии, старения, высыхания, гниения и других про-
цессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с обеспечением
защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей
особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

По. способу получения все покрытия разделяют
На металлические и неметаллические. Металлические покры-
тия — покрытия, нанесенные горячим способом, гальваниче-
ские, диффузионные и металлические на диэлектриках
Неметаллические покрытия — покрытия лаками, эмалями, груц1
товками, а также противокоррозионное покрытие пластмас-
сами.

Выбор того или иного вида покрытия в каждом конкрет-
ном случае зависит от материала детали, ее функциональ-
ного назначения и условий эксплуатации. Основные виды
металлических покрытий, их назначение и область примене-
ния приведены в табл. 5.18.

Таблица 5.18

Вид покрытия	Назначение и область применения покрытия	Материал деталей	Толщина покрытия, мкм	Шерохова- тость по- верхности
Цинковое	Защита от коррозии корпусов, крышек, па- нелей, шасси, каркасов, резьбовых крепежных деталей; получение светопоглощающей поверхности	Сталь, медь, медные сплавы	6-30	Rz40
Кадмиевое	Защита от коррозии в морских условиях корпусов, крышек, кар- касов, панелей, шасси, экранов и т. д.	То же	6-30	Rz40
Никелевое	Защита от коррозии экранов, сердечников, корпусов, резьбовых крепежных деталей; придание деталям по- вышенной отражатель- ной способности; уве- личение твердости де- талей, работающих на трение	»	3-18	Ra2.5 - - Rai,5
Хромовое	Защита от коррозии с одновременной деко- ративной отделкой корпусов, ручек, пе- тель и т. п.; увеличение твердости деталей, ра- ботающих на трение (оси, втулки, стержни)	»	9-48	Ra2,5 -  -Rai,5
Продолжение табл. 5.18

Вид покрытия	Назначение и область применения покрытия	Материал деталей	Толщина покрытия, мкм	Шерохова- тость по- верхности
ОЛОВЯННО- свиниовое -	Улучшение пайки контактов, лепестков, проводов	Сталь, медь, медные сплавы	3-15	Rz40
Серебряное	Улучшение электро- проводности с одно- временной защитой от коррозии контактов, пружин, лепестков, резьбовых крепежных деталей, улучшение пайки	Сталь, медь, медные сплавы, алюминий и его сплавы	6-15	Ra2,5 - - Rai,5
Золотое !	Уменьшение пере- ходных сопротивле- ний контактов, пру- жин, лепестков	Медь, медные сплавы	5-21	Ra0,32

Из приведенных в табл. 5.18 металлических покрытий
наибольшей температурной стабильностью обладает хромовое
(тускнеет при 500°С), золотое покрытие не взаимодействует
с кислотными, щелочными и сернистыми соединениями,
но очень мягкое и легко подвергается износу и истиранию.

Перечень некоторых типов лакокрасочных покрытий, их
свойства и назначение приведены в табл. 5.19. Перед нане-
сением лакокрасочных покрытий поверхности металлических
деталей обрабатывают по 4—6-му классам. Шероховатость
лицевых поверхностей деталей, предназначенных под покры-
тия эмалями, должна быть не ниже Rai,25, под покрытие
молотковыми эмалями —не ниже Ra2,5. Для заполнения
неровностей и углублений на поверхности покрываемых
лаком или эмалью деталей (стенок шкафов, корпусов бло-
ков и т. п.) применяют шпаклевку, которая должна плотно
приставать к грунтовке, шлифоваться, быть достаточно
эластичной, не давать трещин.

Для борьбы с плесневыми грибками применяют три
способа:

способ 1 — использование материалов, не склонных к
образованию на них плесени (применение этого метода
ограничивается возможностями выбора материалов);

способ 2 —изменение внутреннего климата в аппаратуре,
имеющее цель лишить плесневые грибки благоприятной
базы для развития (здесь главным образом требуется при-
Таблица 5.1g

Условия эксплуатации	Условное обозначение (цвет) лакокрасочного материала	—		  Основные свойства и назначение
	Перхлорвиниловые эмали: ХВ-124, ХВ-125 (серый, серебристый, красный)  Меламино-алкидные эма- ли группы МЛ-12 (зеленый, белый, красный, синий, чер- ный, серый, желтый)	—  Покрытия негорючи с удов- летворительной адгезией к металлу и дереву. Выдержи- вают температуру от -60 до +90°С. Предназначены для покрытия загрунтованных по- верхностей металлов  Покрытия прочны, тверды хорошо полируются. Выдер- живают температуру от -60 до +100°С. Окраска предвари- тельно загрунтованных метал- лических поверхностей
Тропический	Молотковые эмали труп-	Покрытия прочны, тверды с
климат	пы МЛ-25 (серебристый, се- рый, голубой, салатный)  Пентафталевые эмали:  ПФ-115 (темно-зеленый, черный)  МФ-28 (черный)  Эпоксидные эмали:  Э-5 (зеленый)  Э-11 (черный)	хорошей адгезией к металлам. Выдерживают температуру от -60 до +70°С. Предназначены для наружной окраски метал- лических поверхностей  Покрытия глянцевые, проч- ные, атмосферостойкие. Вы- держивают температуру от -60 до +150°С. Окраска предвари- тельно загрунтованных метал- лических поверхностей  1 Покрытия глянцевые, проч- ные, твердые, с хорошей ад- гезией. Выдерживают темпе- ратуру от —60 до +200°С
	Пентафталевые	эмали  группы ПФ-223 (белый, жел- тый, голубой, стальной, красный)	Покрытия глянцевые, проч- ные, эластичные. Выдержива- ют температуру от -60 до +150°С. Предназначены для покрытия загрунтованных ме- таллических и деревянных по- верхностей
Умеренный	Лак 170 (бесцветный)	Покрытия полуглянцевые,
климат	Нитроцеллюлозные эмали: НЦ-11 (синий, серый);  ЭМ-508 (защитно-зеле- ный)  НЦ-25 (белый, кремовый, бежевый, зеленый, голу- бой, синий)	прочные, обладают высокой декоративностью, полируют- ся. Выдерживают температуру от -60 до +60°С. Назначение то же
Воздействие	Сополимервинилхлорид-	Покрытия твердые, проч-
пресной и мор-	ные эмали ХС-78 (темно-ко-	ные. Выдерживают темпера-
ской воды	ричневый, красно-коричне- вый)	туру от -60 до +60°С. Предна- значены для антикоррозион-
Продолжение табл. 5.19

Условия эксплуатации	Условное обозначение (цвет) лакокрасочного материала	Основные свойства и назначение
		ных покрытий стали и алюми- ния
Воздействие повышенных температур	Кремнийорганические эмали:  ЭМ-9 (серебристый)  ЭМ К-2 (зеленый, жел- тый, черный)  ЭМ КО-81 (красный)  Глифталевая эмаль  ГФ-820 (серебристый)	Покрытия глянцевые, твер- дые, прочные. Выдерживают температуру от -60 до +230°С (ЭМ-9 — до +400°С). Предна- значены для покрытий метал- лических поверхностей изде- лия  Выдерживает температуру от -60 до+300°С. Неустойчива к действию кислот и щелочей, наносится без грунта
Требования обеспечения повышенной электроизоля- ции  1	Полиуретановый лак  УР-231 (светло-коричневый)  Фенольный лак СБ-1 с (бесцветный)  Бакелитовые лаки А; Б, ЭФ (красно-коричневый)	Покрытие твердое, проч- ное, выдерживает температуру от -60 до +120°С. Предназна- чен для защиты изделий из металлов и пластмасс  Выдерживает температуру от -60 до +100°С. Предна- значен для защиты схем и бло- ков аппаратуры от влаги  Покрытие глянцевое, проч- ное, устойчиво к кислотам, имеет пониженную стойкость if ударам  Выдерживает температуру от -60 до +150°С. Предназначены для влагозащиты гетинакса, стеклотекстолита

нимать. меры к снижению влажности воздуха, так как
саморазогрев как отдельных микросхем, так и полностью
всей аппаратуры почти автоматически лишает грибки бла-
гоприятной температуры);

способ 3 —добавление в состав лака или эмали, кото-
рыми покрывают поверхность деталей, специальных хими-
ческих веществ, фунгицидов. Из таких веществ наибольшее
Распространение нашли пентахлорфенол (применяемая концен-
трация 2—5%), оксихинолят меди (0,1—0,5%), салициланимид
(2—5%), фенилортутные соединения (до 0,1%).

Герметизация отдельных элементов, узлов, устройств или
всей машины. При этом в зависимости от степени чувстви-
тельности тех или иных элементов или узлов к воздействию
агрессивной среды и от их конструктивных особенностей
применяют различные способы герметизации, отличающиеся
как методом исполнения, так и сложностью и стоимостью

Известны способы герметизации с помощью: а) изоляцион-
ных материалов; б) непроницаемых для газов оболочек.

Защита изделий изоляционными материала-
ми. Эта защита может производиться пропиткой, заливкой
обволакиванием и опрессовкой.

Пропитка изделий состоит в заполнении имеющихся в
них каналов электроизоляционным материалом. Одновременно
с заполнением каналов при пропитке на всех элементах
конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищаю-
щий их от воздействия агрессивной среды. Одновременно
с защитными функциями пропиточный материал повышает
электрическую прочность изделия, скрепляет механически его
отдельные элементы, во многих случаях улучшает тепло-
проводность. Пропитку осуществляют погружением изделий
в жидкий изоляционный материал. После извлечения изде-
лия материал отвердевает. Процесс отверждения может про-
исходить при нормальной температуре или с внешним
подогревом. При использовании полимеризующихся про-
питочных материалов необходимо применять специальные
ускорители.

При выборе материалов для пропитки необходимо учиты-
вать их нейтральность к элементам пропитываемого изделия,
нетоксичность, влаго- и нагревостойкость. В табл. 5.20
приведены параметры некоторых пропиточных лаков. После
пропитки для повышения стойкости проводят заливку и
обволакивание.

При герметизации заливкой все свободные полости в
изделии, в том числе и пространство между элементами и
корпусом, заливают электроизоляционным материалом, кото-
рый после отверждения образует достаточно толстый защит-
ный слой. Заливку изделия можно производить в его
постоянном корпусе или использовать для этого специальные
разъемные формы, которые после отверждения материала
удаляются. Так как заливочный материал имеет большую
массу, то при отверждении в нем возникают внутренние
напряжения, которые в ряде случаев могут отрицательно
сказаться на работоспособности аппаратуры и даже вызвать
в ней обрывы проводников и поломку непрочных деталей.
Поэтому для устройств, чувствительных к таким напряжениям,
следует применять пластичные электроизоляционные материа-
лы, которые, полимеризуясь, образуют упругую резинообраз-
ную массу. Обычно заливка составляет 10—20% общего
объема изделия, что существенно увеличивает его массу.
Поэтому там, где это необходимо, следует применять
Таблица 5.20

—  Параметры			Тип лака		
	БТ-987	ГФ-95	МЛ-92	ПФЛ-86	ФЛ-98
Вязкость по ВЗ-4 при 293 К  Рабочая температура, К  Сопротивление изоля- ции, Ом • м  Электрическая проч- ность, МВ / м  Диэлектрическая про- ницаемость на частоте /—10 мГЦ  Температура сушки, К  Продолжительность высыхания, ч	30-60  213-378  Ю’о-Ю’з  25-55  3,1-7,0  378-383  6	30-50  213-393  Ю’о-Ю’з  40-70  3,6-4,6  378-383  2	25  213-393  108-10’2  45-60  3,6-4,0  378  1	213-393  10’2-10’3  35-45  393  0,5  <  ^одолжение	35-60  213-403  108—10’2  40-70  3,0-7,0  393  2  табл. 5.20
Параметры			Тип лака		
	ФА-97	КО-9П	КО-916К	КО-923	ЭТР-5
Вязкость по ВЗ-4 при 293 К  Рабочая температура, К  Сопротивление изоля- ции, Ом • м  Электрическая проч- ность, МВ/м  Диэлектрическая про- ницаемость на частоте /= 10 мГц  Температура сушки, К  Продолжительность высыхания, ч пенообразующие n несоединяющихся в  Герметизация с аналогична операц вязкие изоляцион! адгезией к элемент гося на поверхност До нескольких mhj воздействия агресси	35-60  213-403  108—10’2  40-70   393 2  1атериал1 оздушнь бволакив ии проп <ые маз ам издег и детале тлиметрс [вной сре	213-473  Ю’о-10’2  25-65  2,7-3,3  473 1  я, содер IX ПОЛОС! анием п итки, от гериалы, [ИЯ. Слог ;й, сравн! >в) и на, ЩЫ.	40-70  213-473  109-10”  30-60  2,5-3,0  473 0,25  жащие ей.  о техн  [нако 3/ облада  матери тгельно цежно :	45  213-473  109-10”  25-50  3,2  473 0,5  большое  ике исп зесь исп ющие > [ала, обрг толст (о  (ащищает	60-100  233-428  108-10’3  60-80  423 2  ЧИСЛО  олнения ользуют хорошей ззующе- т долей их от
372 Глава 5. Основы конструирования транспортируемых ЭВМ
.	I	.	.----

В качестве пропиточных, заливочных и обволакиваю-
щих материалов широкое распространение получили ком-
паунды на основе эпоксидных смол ЭД-5 и Эд-6.
В табл. 5.21 приведены марки этих компаундов и их пара!
метры. Добавляя в смолу те или иные составляющие
можно регулировать ее вязкость, время жизни и конечные
характеристики (твердость, устойчивость к воздействию
влаги и температур и т. д.). Компаунда ЭПК-1 и ЭПК-4
применяют для пропитки, остальные —для заливки деталей

Таблица 5.21

Параметры	Тип компаунда						
	ЭПК-1	ЭПК-4	ЭЗК-1	ЭЗК-4	ЭЗК-5	ЭЗК-6	ЭЗК-7
Предел прочности при статическом изгибе, МПа	1400	1100	1400	1250	700	900	770
Удельная ударная вязкость, кДж/м2	14	16	9	6	4	5	6
Коэффициент ли- нейного расширения, 10~6 град	60	60	34	34	34	34	34
Т еп лопроводность, Вт/(м-К)	0,16	0,16	0,65	0,65	0,45	0,35	0,45
Плотность, г/см3	 1,2	1,2	1,8	1,8	1,5	1,2	1,6
Линейная усадка, %	1,5	1,5	0,5-1,2	0,5-1,2	1,0-1,2	1,0-1,5	0,5

Продолжение табл. 5.21

Параметры	Тип компаунда						
	ЭЗК-8	ЭЗК-9	ЭЗК-10	ЭЗК-11	ЭЗК-12	ЭЗК-16Б	ЭК-20
Предел прочности при статическом изгибе, МПа	650	1000	1400		850		600
Удельная ударная вязкость, кДж/м2	14	5	14	—	6	—	5
Коэффициент ли- нейного расширения, 10-6 град-1	190	34	40	34	34	18	—
Теплопроводность, Вт/(м-К)	0,25	0,94	0,65	0,25	—	0,35	—
Плотность, г/ см3	1,5	1,7	1,7	1,1	1,5	1,5	1,2
Линейная усадка, %	1,0-1,5	1,0	1,5	5,5	0,5	—	0,5—0,8
и узлов. Компаунд ЭЗК-6 можно использовать как обволаки-
вающий, не вводя в него наполнитель (кварцевый порошок).
Известны другие типы компаундов для заливки изделий,
обладающие специальными свойствами. Например, вспениваю-
щийся пенополиуретан ЖК-2, обладающий в отвержденном
состоянии малой плотностью (0,1—0,3 г/см3) вследствие
образования в нем большого количества газонаполненных
пузырьков. Этот компаунд применяют, когда требуется
обеспечить теплоизоляцию изделий при сохранении малой
массы. Устойчивость изделий к воздействию климатических
и механических факторов также повышается. Достоинство
компаунда—высокая адгезия к большинству материалов.

В состав компаунда ЖК-2 входят полиэфирная смола
ЖК-2 (ВТУ п 29—62) и толуилендиизоционат (ВТУ 54—124—
62). Процесс заливки заключается в следующем. Смесью
смолы (15—16% объема заливаемого пространства) и толуилен-
диизоционата (70% веса смолы) заполняют заливаемое
пространство и выдерживают в течение 4 ч при 120°С,
после чего заливаемое пространство оказывается заполненным
пенообразным компаундом.

Модификация свойств компаундов путем введения на-
полнителей, пластификаторов, изменения режимов отвержде-
ния позволяет снизить внутренние напряжения. Снижение
напряжения конструктивными методами достигается исполь-
зованием демпфирующих прокладок, контейнеров и других
элементов.

Демпфирующие прокладки изготовляются из резины,
эластичных компаундов и пенопластов. Плотность прилегания
прокладок обеспечивается технологическими приемами —оку-
нанием, обволакиванием, нанесением демпфирующего слоя
методом вихревого напыления и т. д.

Большое значение имеет выбор размеров и компоновки
узлов, подлежащих заливке компаундом в монолитный
блок, так как внутренние напряжения увеличиваются с
Увеличением размеров. В то же время деформации и
внутренние напряжения имеют минимальное значение в гео-
метрическом центре отливки. В нем нужно располагать
наиболее чувствительные к сжатию детали.

Широкое распространение получили пластичные компаунды
и герметики, основные марки и параметры которых приведены
в табл. 5.22.

Недостатком компаундов и герметиков на каучуковой
основе является их недостаточная адгезионная способность
к металлам и различным материалам. Улучшение адгезии
Достигается нанесением подслоя- из лаков П-11 или П-90.

Опрессовку деталей, и узлов производят в специальных
Формах термопластичными массами. Для микроэлектронных
Таблица S.22

Параметры	Тип герме1ика и компаунда										  '—-—»  Вик- синт ПК-68-1
	Вик- синт У-1-18	СКГН-1	Вик- синт К-18	ВГП-2Г1	ВГО-1	сил- ПЕН	Вик- синт У-2-28	Вик- синт ПК-68	
Плот- ность, г/см3	2,2-2,5	1,9-2,2	1,9-2,0	0,4-0,6	2,2-2,4	0,6	1,9	1,0		——  1,3
Удельное объемное сопротив- ление, Ом • см	1-Ю’3	1-Ю’з	1-10’3	18-Ю’3	1,5-10’3	1-10’3	1-10’3	1-10’3	1-Ю’3
Темпера- тура хруп- кости, К	208	208	208	197	197	208	208	208	208
Твердость по твердо- меру ТИР; ед.	50-60	40-50	50-60		20		44-50	40	40-50
Усилие при отсла- ивании, IO3 Н/м2  Электри- ческая прочность, кВ/мм	0,13- 0,18  5	0,08— 0,15  15	15		0,15  5	2,5	0,13  15	0,03	
Диэлект- рическая проницае- мость	3,5-4,0	3,2-4,0	3,0-4,0	4,0-5,0	3,5-4,0	3,2-4,2	3,8-4,3	—	—

изделий этот способ герметизации не получил большого
распространения.

Проверку эффективности герметизации тем или иным
материалом осуществляют выдержкой защищенных изделий
в течение 100 ч при влажности 98% и температуре 40°С.
Если изделие не изменило своих параметров, материал и
способ защиты считаются пригодными для его герметизации.
Влага, проникшая в изделие через герметизирующий слой,
изменяет параметры изделия, и ее трудно удалить даже
при продолжительной сушке.

Защита изделий непроницаемыми для газов
оболочками. Это наиболее совершенный способ защиты
узлов и устройств ЭВМ, так как кроме эффективной защиты
он может обладать возможностью разгерметизации в произ-
водственных условиях и при эксплуатации.

Условия нормальной работы изделий, защищенных вакуум-
но-плотной герметизацией, зависят не только от качества
герметизации, но и от защиты от агрессивных компонентов,
входящих в материалы и среду защищаемого объема.
Выделение свободных молекул воды и других агрессивных
веществ в герметизированном объеме изделия может свести
к минимуму эффективность вакуумно-плотной герметизации.

При разработке герметичных корпусов следует учитывать усло-
вия эксплуатации и прежде всего изменение барометрического
давления, внешние механические воздействия и возможные
перепады температуры. Вакуумно-плотная герметизация может
быть выполнена с неразъемными и разъемными швами:
первую используют для защиты малогабаритных узлов и

устройств, вторую —для сравнительно больших блоков,
требующих профилактической проверки и нуждающихся в
смене ее отдельных элементов. Неразъемные герметичные
конструкции делают со швами, выполняемыми пайкой,
сваркой, клепкой, заливкой, склеиванием или замазкой
специальными компаундами (герметиками).

На рис. 5.47, а приведены примеры применения паяных
швов для вакуумно-плотной герметизации корпусов изделий.
Обычно корпуса изготовляют из холоднокатаной стали
(0,3—0,5 мм), латуни (0,25—0,8 мм) и алюминия (0,3—0,8 мм).
Наиболее простой вариант пайки I, наиболее сложный —
IV. Неудачной конструкцией следует, считать вариант И
и в какой-то степени Ш, так как для них требуется точное
соответствие размеров крышки и корпуса. В противном слу-
чае крышка будет либо проваливаться, либо туго входить
в корпус.

Швы, паянные мягкими припоями, допускают работу
при температуре 85°С. При большей температуре вследствие
Перекристаллизации припоя в швах образуются поры и
герметичность нарушается. Большие перепады температур
(от -60 до +85°С) вызывают деформацию корпуса, что
также может привести к потере герметичности. Для устройств
предназначенных для работы при температуре более 85°с’
корпуса следует выполнять из стали, а пайку швов вести
твердыми припоями.

Представленный на рис. 5.47, б вариант герметизации
закаткой сложен, но при правильном выполнении весьма
эффективен.

Сварные швы (рис. 5.47, в —д') допускают большие меха-
нические нагрузки и в ряде случаев более технологичны
чем паяные. При использовании контакного, роликового и
рельефного способов электросварки (рис. 5.47, в) следует
применять стальные листы толщиной 0,25—0,5 мм, для
дуговой сварки (рис. 5.47, г) толщина свариваемых сталь-
ных листов должна быть не менее 1 мм. Для холодной
сварки (рис. 5.47, t>) используют только алюминий толщиной
не менее 0,8 мм. Особенность герметичных сварных швов —
способность выдерживать большие перепады температур
(от -60 до +200°С).

В разъемных герметичных конструкциях между соединяе-
мыми деталями (корпусом и крышкой) помещают эластичную
прокладку (рис. 5.47, е), а в герметизируемый объем —
влагопоглотитель, например силикагель. Условие непроницае-
мости такого герметичного соединения —сохранение во все
время его службы контактного давления между прокладкой
и соединяемыми поверхностями. Применяют металлические
(из свинца, алюминия, красной меди) и резиновые прокладки
(рис. 5.48). При стягивании винтами металлические прокладки
деформируются, в них могут возникнуть напряжения,
превышающие предел текучести. При использовании резино-
вых прокладок уплотнение достигается действием остаточ-
ных упругих деформаций. Резиновые прокладки имеют

Рис. 5.48. Конфигурация металлических (/) и резиновых (1Г) про-
кладок
форму сечения круглую,, прямоугольную, треугольную и т. д.

При длительной эксплуатации, широком диапазоне изме-
нений давления и незначительной деформации применяют
прокладки, показанные на рис. 5.48, а. Наиболее распростра-
нены прокладки, изображенные на рис. 5.48, б; они просты
в изготовлении, выдерживают широкий диапазон давлений.
Прокладка Х-образного сечения (рис. 5.48, в) не требует
большого сжатия, используется для низких давлений. Про-
кладка с сечением, приведенным на рис. 5.4$ г, применяется
для принудительных уплотнений с большим сроком службы.
Резинометаллические прокладки (рис. 5.48, д) не требуют
монтажной канавки, устанавливаются между плоскостями.
В агрессивных для резины средах применяют тороидальные
прокладки, армированные пластмассой (рис. 5.48, е). В про-
кладку с полым сечением (рис. 5.48, ж) подается газ под
давлением 0,28—0,35 МПа. Для уплотнения плоских фланцев
с откачкой воздуха из полости между кольцами исполь-
зуется прокладка, показанная на рис. 5.48, з. Металлическая
лента в прокладке (рис. 5.48, и) служит для защиты резины
от воздействия внешней среды, например радиации.

Для прокладок круглого сечения можно использовать
различные конструкции канавок, например с односторонним
(рис. 5.49, а), угловым (рис. 5.49, б) и двусторонним
(рис. 5.49, в) уплотнениями. Размеры элементов конструкции
приведены в табл. 5.23. При сжатии резиновая прокладка
заполняет зазор.

Рис. 5.49. Примеры конструкции уплотнений

Таблица S.23

Основные размеры	Тип уплотняющего устройства		
	одностороннее	угловое	двустороннее
Н	(0,85 — 0,96)0	(0,85 - 0,95)0	(0,85 — 0,95)0
а	(0,6—0,9)0	0,50	D
п	(0,05—0,15)0	(0,05 — 0,15)0	0,05 — 0,15[(а + Н)/2]
с	0,050	0,050	0,05[(а + Н)/2]
т	0,20	0,20	0,20
1	—	—	(0,2 - 0,4)0
о

Рис. 5.50. График зави-
симости напряжения
сжатия разъемного гер-
метизированного соеди-
нения от температуры

При использовании резины в качестве
прокладок следует помнить, что дЛя
этого материала характерно свойство ре.
лаксации, т. е. постепенного падения
внутренних напряжений при неизменном
значении деформации. Причина релакса-
ции—замедленная перестройка молекуляр-
ной структуры деформированной резины
(так, через 20 мин напряжение снижа-
ется на 14%, через 2 сут —на 25% и ста-
билизируется). При повторном обжатии
релаксация меньше (всего 6% за 20 сут).
В связи с этим узел уплотнения с рези-
новой прокладкой следует подтягивать
через 2 сут после сборки.

Резина (не пористая) практически не-
сжимаема, при давлении 800 кН/м2 сжатие
составляет около 3%. Температурный ко-
эффициент расширения резины равен

500Х10-6 град-1, что почти в 40 раз больше, чем у стали. Это
надо учитывать при конструировании узла уплотнения, пред-
назначенного для работы в широком диапазоне температур.
Действующая на герметизированные блоки температура
определяет также материал прокладки. С понижением
температуры Упругость эластичных прокладок уменьшается,
они твердеют, уменьшаются в объеме и уменьшают контакт-
ное давление. С повышением температуры опасно растут
остаточные деформации. Пользуясь графиком, представлен-
ным на рис. 5.50, можно определить напряжение в заданном
диапазоне температур эксплуатации.

Пример. Пусть: 1) минимальная температура эксплуатации -20°С.
Задаваясь значением наименьшего напряжения в резине при этой темпера^
туре (5 МН/м2), достаточного для сохранения герметичности, найдем
соответствующую точку а на координатной сетке. Через эту точку
проведем линию а—б параллельно основной наклонной линии графика
(рис. 5.50); 2) максимальная температура эксплуатации +80°С. На пере-
сечении штриховой линии с ординатой +80°С поставим букву в. Ей
соответствует давление 113 МН/м2. Отсюда можно найти конструктивные,
размеры узла уплотнения герметизированного блока. В цехе блок герме-
тизируют при температуре +20°С. Этой температуре соответствует точ-
ка г на штриховой линии, а отсюда необходимое напряжение при
затягивании узла уплотнения 48 МН/м2.

Примером резиновых шнуров для герметизации радио-
электронной аппаратуры могут служить шнуры круглого,
квадратного и прямоугольного сечения, размеры которых
определяет ГОСТ. В зависимости от назначения шнуры
изготовляют из кислотощелочестойкой, теплостойкой, морозо-
стойкой и маслобензостойкой резины. Кислотощелочестойкие
шнуры сохраняют упругие свойства при воздействии раство-
ров кислот и щелочей концентрацией до 20 %, а также в
среде воздуха, инертного газа и воды. Диапазон рабочих
температур от -30 до +50°С. Теплостойкие шнуры пред-
назначены для использования в аппаратуре, эксплуатируемой
в температурном диапазоне от -30 до +90°С, и сохраняют
упругие свойства при воздействии водяного пара температу-
рой до +140°С. Холодостойкие шнуры сохраняют работо-
способность в диапазоне температур от -45 до +50°С.
Маслобензостойкие шнуры не теряют упругих свойств при
воздействии масла и бензина и сохраняют работоспособ-
ность в диапазоне температур от -30 до +50°С.

Размеры шнуров, определяемые стандартом, следующие:
а) диаметр круглого и сторона квадратного сечения 2,0;
2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 25,0 мм;

б) соотношение высоты и ширины шнуров прямоуголь-
ного сечения выбирают из табл. 5.24.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И КОМПОНОВКИ ЭВМ

Из сказанного выше можно сделать следующие выводы:

а)	конструктивные узлы ЭВМ имеют свои частоты соб-
ственных колебаний;

б)	если частота внешних вибраций приближается к часто-
там собственных колебаний элементов конструкции, возникает
явление резонанса, при котором колебания могут вызвать
отказ в работе машины или привести к поломке последней;

в)	для ЭВМ, устанавливаемых на подвижные объекты,
необходимо предусматривать меры защиты от разрушения
и отказов при резонансе;

г)	условия применения транспортируемых ЭВМ требуют
Максимального снижения их габаритных размеров и массы,
Увеличения плотности компоновки элементов и узлов;
д)	повышение плотности компоновки тепловыделяющих
элементов неизбежно ведет к увеличению удельной выделя-
емой мощности и к необходимости предусматривания д0.
полнительных мер охлаждения ЭВМ.

Исключить влияние резонанса можно подбором материалов
выбором соответствующего способа крепления, введением
конструктивных мер повышения прочности, разработкой
такой конструкции деталей, чтобы частота их собственных
колебаний была выше верхней допустимой частоты внешних
возмущающих колебаний, и др. Выбор материала для кон-
структивных деталей ЭВМ и число вариантов крепления
ограничены. Из конструктивных мер повышения прочности
можно отметить введение дополнительных ребер жесткости
и точек крепления, а также использование амортизаторов.
Частоту собственных колебаний элементов конструкции
повышают за счет увеличения момента инерции, числа
точек крепления, уменьшения длины и массы и т. д.

На рис. 5.51 приведена конструкция ячейки, в которой
повышение жесткости обеспечивается введением двух метал-
лических накладок. Накладку 1 используют так же, как руч-
ку, а накладка 2 имеет элементы шарнирного крепления
ячейки в книжной конструкции блока машины. Электриче-
ское соединение ячеек в блоке осуществляют объемными
проводниками или гибкими кабелями. Микросхемы в корпу-
сах с планарными выводами размещают с обеих сторон
печатной платы.

Ячейка, конструкция которой представлена на рис. 5.52,
выполнена в виде сборного узла; основу его составляют
металлическая рамка 1 и печатная плата 2, закрепленная
на рамке семью заклепочными или винтовыми соединениями.
На рамке 1 установлены штыри-ловители 5 для фиксации
ячейки и совмещения разъема 4 и винты 3 для закрепления
ячейки в блоке. Микросхемы со штыревыми выводами распо-
лагают с одной стороны печатной платы (высота микросхем
меньше высоты разъема и рамки).

Основа конструции ячейки, показанной на рис. 5.53,"
металлическая рамка 1. Печатную плату с микросхемами 2
закрепляют на рамке 1 в шести точках заклепочными
соединениями. Отличие этой ячейки от предыдущей —наличие
приливов на рамке 3 для шарнирного соединения ячеек
и четырех отверстий по углам ячейки для соединения
ячеек в блоке винтами. Электрическое соединение ячейки
производят с помощью гибкого кабеля 4.

На рис. 5.54 представлена конструкция ячейки, на рам-
ке 1 которой закреплены две печатные платы 2 и 3 с
микросхемами. Рамка 1 имеет дополнительное ребро жесткос-
ти, элементы шарнирного соединения 4 и пять втулок с
Рис. 5.51.
Повышение
жесткости
ячейки
введением
металлических
накладок

Рис. 5.52. Конструкция ячейки, вы-
полненной на металлической
рамке с дополнительными точ-
ками крепления

Рис. 5.53. Конструкция ячейки с за-
креплением платы в шести точках

Рис. 5.54. Конструкция ячейки с двумя
платами в рамке

Рис. 5.55. Конструкция ячейки с осью
вращения, перпендикулярной пло-
скости ячейки
отверстиями 7. Соединение между платами выполнено пе-
чатными кабелями 6, соединения между ячейками обеспе-
чены гибкими кабелями 5 (печатными или плетеными).

Показанная на рис. 5.55 конструкция ячейки отличается от
предыдущих конструкций ячеек тем, что имеет шарнир у
с осью вращения, лежащей не в плоскости ячейки, а
перпендикулярно ей. Основа конструкции здесь —рамка з
с ребром жесткости посредине, на которой закреплены
винтами две печатные платы 2 с микросхемами. Рамка
имеет элементы крепления в блоке и прилив для шарнир-
ного соединения. Электрические соединения в блоке осу-
ществляют гибким кабелем 5, а в ячейке — печатным кабе-
лем 4.

Крепление печатных плат на рамке ячейки можно про-
изводить винтами (рис. 5.56, а) или заклепками (рис. 5.56, б).
В" первом случае получают разъемную конструкцию, во
втором —относительно небольшие габариты соединения
(на рис. 5.56 7 —печатная плата; 2 —рамка; 3 — винт; 4 —
втулка с резьбовым отверстием; 5 —шайба; 6 — шайба пружин-
ная; 7—пустотелая заклепка).

Винтовое соединение может скреплять одновременно две
печатные платы на рамке, например так, как представлено
на рис. 5.57. Это достигается применением плоской шай-
бы 3 увеличенных размеров. Винт 4 с помощью этой
шайбы и втулки 1 удерживает две печатные платы 5 на
ребре жесткости рамки 2.

Рйс. 5.56. Схема крепления печатных плат
на рамке винтом (а) и- заклепкой (б)

Рис. 5.57. Схема крепления двух
печатных плат на рамке с по-

Рис. 5.58. Схема крепления печат-
ной платы по центру винтом (а)
и упором (б)

мощью одного винта

Печатные платы могут кре-
питься на рамке в четырех,
пяти точках и т. д. Чем больше
точек крепления, тем выше соб-
ственная частота платы. Особен-
но резко увеличивает собствен-
ную частоту платы крепление
по центру платы винтом (рис.
5.58, а); эффективен также слу-
чай, когда плату 7 поджимают
к упору из пресс-материала или твердой резины 2 (рис.
5.58,6)-

К конструкциям блоков ЭВМ, устанавливаемых на подвиж-
ные объекты, кроме требования устойчивости к механическим
нагрузкам предъявляют дополнительные требования: а) макси-
мально возможная плотность компоновки; б) обеспечение
нормального температурного режима работы микросхем;
в) обеспечение удобного доступа к любому монтажному
соединению; г) максимальное использование физического
объема контейнера, в котором устанавливают вычислитель-
ную аппаратуру; д) высокая надежность работы. Исходя из
этих требований разработаны транспортируемые ЭВМ, удовлет-
воряющие в большей или меньшей мере тем или иным
требованиям в зависимости от степени их важности и
назначения машины.

Примечание. Каждая из разработанных ЭВМ оптимальна для
каких-то конкретных условий и зачастую не может, быть использована
для других объектов установки. Поэтому в дальнейшем приведем примеры
построения блоков транспортируемых ЭВМ, не считая, что они могут
быть использованы для любых разработок.

Из существующих конструкций транспортируемых ЭВМ наиболее
распространена «книжная», в которой «страницами» являются ячейки,
а «корешок» служит для их электрического (а часто и механического)
объединения. Такая конструкция при довольно высокой плотности элементов
позволяет обеспечить удобный доступ ко всем микросхемам и монтажным
соединениям, обладает высокой прочностью и надежностью. Ось раскрытия
«страниц» — ячеек «книжки» — может быть вертикальной и горизонтальной,
лежать в плоскости ячейки или быть перпендикулярной ей.

На рис. 5.59 представлен блок «книжной» конструкции,
скомпонованный из ячеек, установленных перпендикулярно
задней панели и шарнирно связанных между собой вдоль
вертикальной оси раскрытия. Ячейки состоят из металличе-
ской рамки 1, на которой установлены по четыре печатных
платы с микросхемами 2 (по две с каждой стороны). Рамка
имеет два шарнира 4 и отверстия 3 для стягивания пакета
ячеек- винтами. Электрические соединения между ячейками
осуществляют объемным монтажом. Для внешних электри-
ческих соединений на задней панели 5 блока установлены
разъемы. После настройки блок вставляют в кожух и в
таком виде устанавливают на объекте. Разновидность блока
книжной конструкции — блок, общий вид которого приведен
на рис. 5.60. Конструктивно он состоит из двух идентичных
половин, каждая из которых имеет набор ячеек 1, шарнирно
соединенных между собой. В этой конструкции используют
сложный двойной шарнир 3, обеспечивающий наилучшие
Условия раскрытия при большом количестве ячеек. Электри-
ческие соединения ячеек между собой осуществляют объем-
Рис. 5.59. Блок «книжной» конструк-
ции с простыми шарнирами

Рис. 5.60. Блок «книжной» конструк-
ции с двойными шарнирами

Рис. 5.61. Блок «книжной» конструкции с горизонталь-
ной осью раскрытия
ным монтажом. Ячейки стягивают в пакет винтами через
специальное отверстие. На передней панели установлена
ручка 5 и при необходимости может быть смонтирована
панель управления или колодка с контрольными гнездами,
jja задней панели 2 размещены разъемы. При необходимости
в конструкцию блока могут быть введены вспомогательные
устройства, например узел питания, который можно уста-
новить в средней части 4.

Конструкция блока с горизонтальной осью раскрытия яче-
ек приведена на рис. 5.61. Рамка 5 ячеек относительно
больших размеров имеет ребро жесткости и четыре шарнира.
На каждой рамке установлены по две печатные платы 6
с микросхемами. Ячейки последовательно соединены на
шарнирах, образуя раскрывающуюся конструкцию, подобную
детской книжке-раскладке. Две ячейки образуют секцию,
которую прикрепляют к каркасу блока 2 невыпадающими
винтами. Электрические соединения выполнены объемным
монтажом. Каркас имеет переднюю 1 и заднюю 3 панели
с разъемом 4.

Конструкция блока, представленная на рис. 5.62, состоит
из двух секций, каждая из которых включает в себя две
подсекции, имеющие горизонтальную ось раскрытия. В каж-
дую подсекцию входят две ячейки. Основу конструкции
ячейки составляет рамка 5 с тремя ребрами жесткости,
на которой расположены четыре печатные платы 6 с микро-
схемами. Подсекции на шарнирах 4 скреплены на каркасе 1,
имеющем переднюю и заднюю 2 панели с разъемами 3.
Закрепление подсекций производится невыпадающими винта-
ми. Число ячеек в каждой из секций или подсекций
может быть больше двух.

Конструкция блока с осью раскрытия, перпендикулярной
плоскости ячеек, приведена на рис. 5.63. Ячейки 7 вращают-
ся в вертикальной плоскости на шарнире! 3 и объединены
в секции, располагающиеся по обе стороны каркаса 2.
Электрическое соединение ячеек осуществляют гибким кабе-
лем, длина которого должна быть такой, чтобы позволить
откинуть ячейку в максимально раскрытое положение.

«Створчатая» конструкция блока, схематически представлен-
ная на рис. 5.64, обладает всеми достоинствами «книжной».
В ней ячейки 7 устанавливают на трех коммутационных
Платах 2, соединенных шарниром между собой. После
настройки каждой из «створок» они «закрываются», образуя
блок с высокой плотностью компоновки элементов.

На рис. 5.65 схематически представлена «гребенчатая»
Конструкция блока транспортируемой ЭВМ. Ячейки 7 мон-
тируют на основаниях 2, которые после настройки вставляют
Пруг в друга, заполняя свободное пространство. Ограни-
131-850
Рис. 5.63. Конструкция блока с осью раскрытия, перпендикулярной
плоскости ячеек

чительные стойки 3 обеспечивают жесткость конструкции и
коммутацию между обоими основаниями.

Возможность использования гибких печатных плат ил-
люстрирует рис. 5.66. Модули 2 монтируют на гибкой
печатной, плате 1 (рис. 5.66, а), которую после настройки
Рис. 5.64. «Створчатая»
конструкция блока

Рис. 5.65. «Гребенчатая»
конструкция блока

изгибают с помощью разделителей 3 и вставляют в блок
так, как представлено на рис. 5.66, б.

Принцип построения конструкции бортовой авиационной
вычислительной аппаратуры, предложенной фирмой «Lockhe-
ed», представлен на рис. 5.67, и 5.68. Исследования, прове-
денные фирмой, показали, что для обеспечения 90% схем-
ных функций электронной системы самолета достаточно
20 типов ячеек (фирма их назвала модулями), разбитых
на пять категорий (логические, память, генераторы, источ-
ники питания, устройства ввода —вывода). Конструкция
типовой ячейки представлена на рис. 5.67. К двусторонним
печатным платам 2 с металлизированными отверстиями

припаяны микросхемы или миниатюрные плоские матрицы
памяти на ферритовых сердечниках. Размер плат 12,5X5 см.
К платам припаяны также штырьковые разъемы 3. Две

платы прикрепляют винтами к алюминиевому каркасу 1.
Толщина каркаса зависит от высоты компонентов, входящих
в состав ячейки. Различные типоразмеры ячеек отличаются
толщиной, величина которых кратна 6,4 мм.

Собранные ячейки вставляют в блок (рис. 5.68). Ячейки 1
закрепляют на коммутационной плате 2 фиксирующими

винтами 3. Межсоединения на коммутационной платр 2
выполнены методом накрутки на штырьки, вмонтированные

в плату. К одному штырьку присоединяют накруткой не
более двух проводников. Накрутку про-

изводят на автоматических станках с
программным управлением от перфо-
карт.

Учет формы контейнера, в который
Монтируют транспортируемую ЭВМ,
м°жет быть решен, в частности, сле-
дующим образом. Если контейнер имеет
Цилиндрическую форму, то ЭВМ дол-
жна иметь конструкцию, подобную
Представленным на рис. 5.69 и 5.70.
в первом случае ячейки с микросхе-

а)

Рис. 5.66. Компоновка блока
с использованием гибкой
печатной платы

13»

мами 1 монтируют на основании 2, которые затем собирают
ро пять, образуя цилиндрическую форму конструкции. Недоста-
ток такой компоновки—наличие незаполненных полостей,
go втором случае плотность компоновки большая. Ячейки 1
монтируют на основании 2, имеющем цилиндрическую форму.
Все межсоединения осуществляют по основанию.

Для установки ЭВМ в сферический контейнер может быть
предложен вариант компоновки, представленный на рис. 5.71.
Микросхемы (или модули) устанавливают на полусферическом
основании 1. Межсоединения осуществляют в пределах
основания или на внутренней коммутационной полусфере 2.

Примером конструкции ЭВМ, устанавливаемой в цилиндри-
ческий контейнер ракет, служит машина 4Pi фирмы «1ВМ».

Рис. 5.70. Компоновка ЭВМ, пред-
назначенной для установки в ци-
линдрический контейнер, с повы-
шенной плотностью упаковки

Рис. 5.71. Компоновка ЭВМ,
предназначенной для уста-
новки в сферический кон-
тейнер

III
11

(I

3

□

[]
□

[]

[]

□

[]

□

□

□

□

□

□

□

Рис. 5.72. Конструкция ячейки ЭВМ «4 Pi»

□
□
□
□
□

□
□
□

□
□

□
□
©
□
□

□
©
□
□

□
□
□
□

□
□
□
□

□

□
□
□
□
□
□
□
□
□
□

□
□
□
□
□
□
□
□
□
□

□
□
□
□
□
□

□
□
□

□
□
©
□

□
□
©
□
□

□
□
□
□
□
□
□
□

□
□
□

□
□
□
□

I

11

□ .□
□
Машина состоит из трех
подсистем: центрального
устройства обработки
памяти и устройства вво-
да — вывода. Каждая под-
система конструктивно
выполнена из двух мно-
гослойных печатных
плат 1 и несущей алюми-
ниевой пластины 2, кото-
рая служит теплоотво-
дом и для механического
крепления (рис. 5.72).
Печатные платы имеют

Рис. 5.73. Конструкция ЭВМ «4 Pi»	четыре слоя, два из ко-

торых —сигнальные, один—
питание и один нулевой. Все сигнальные цепи выполнены
печатными проводниками шириной 0,25 мм с минимальным
расстоянием между ними 0,63 мм. Обе печатные платы,
будучи электрически изолированы и прикреплены к алюми-
ниевой пластине, образуют ячейку полукруглой формы. Так
как на каждой ячейке собрана целиком подсистема, то число
проводных связей и разъемов сведено к минимуму. На каждой
ячейке установлено по два разъема 3.

Три ячейки, образующие машину, объединены в блок,
конструкция которого приведена на рис. 5.73. Ячейки 4
установлены на массивной металлической «холодной» пли-
те 3 и закрыты кожухом 1 с разъемом 2. Охлаждение блока
осуществляют путем теплоотвода к «холодной» плите. Перед

запуском ракеты эта плита охлаждается воздухом темпера-
турой (21±5)°С. Во время относительно недолгого полета
ракеты вычисленная скорость повышения температуры со-
ставляет менее 0,5°С в минуту. Теоретически возможная
максимальная температура в блоке 60°С. При этой температуре
микросхемы сохраняют свою работоспособность.

Подсистему памяти, ввиду того что она обладает более
узким диапазоном рабочих температур, устанавливают ближе
всего к «холодной» плите, в то время как две другие
подсистемы могут размещать рядом с ней в произвольном
порядке. Для предохранения от попадания в блок влаги
и пыли весь блок герметизируют.

В ячейках машины «Ruggednova» фирмы «Rolm. Corp.»
используют специальную систему теплоотвода, обеспечиваю-
щую работоспособность ЭВМ в температурном диапазоне
от —55 до +95°С без принудительного воздушного охлажде-
ния. Конструкцию ячейки поясняет рис. 5.74.
§

Рис. 5.74. Схема теплоотвода в ячейках ЭВМ «Ruggendnova»

\у&гмм.\

Передача теплоты
по медной шине

Излучение теплоты

с

S <ъ

к крышке



Микросхемы S в корпусах типа DIP устанавливают
теплопроводящим компаундом 2 на печатную плату 1
через медные шины теплоотвода 3, которые изготовляются
отдельно и представляют собой полоски меди толщиной
0,76 мм. Крепление медных шин 3 к печатной плате 1
производят через стеклоэпоксидную прокладку толщиной
0,38 мм. Медные шины служат не только для отвода
теплоты, они также увеличивают жесткость плат. Коры-
тообразная алюминиевая крышка 7, закрывающая всю плос-
кость платы 1, также выполняет двойную функцию: увели-
чивает жесткость и служит теплоотводом. Крышка выполнена
штамповкой из алюминия толщиной 1,6 мм. В четырех
точках* вблизи центра ячейки крышку прикрепляют к схем-
ной плате 1 и прижимают с краев к охлаждаемому кор-
пусу 6, в пазы боковых стенок которого ее вставляют вместе
с платой 1 и надежно закрепляют в них с помощью
алюминиевых клиньев 4. Клинья 4 имеют угол среза 22°
и поджимаются с помощью винтов 5, головки которых выхо-
дят на боковые стенки. Это обеспечивает еще большую
механическую прочность конструкции и контакт теплопро-
водящих элементов: медной шины и крышки с боковыми
стенками блока. Таким образом, передача теплоты от микро-
схем к боковым стенкам происходит через медные шины
и крышку, обозначенные на рис. 5.74 утолщенной линией.
Без такой системы отвода теплоты температура микросхем
могла быть на ЗО°С выше окружающей.

Электрическое объединение ячеек в блоке ЭВМ осущест-
вляется проволочно-жгутовым монтажом, с помощью рези-
новых гибких матриц или гибкими печатными шлейфами.

Проволочно-жгутовой монтаж выполняется из проводов
марок МГШВ, МГТФ, ГФ, ГФ-100М диаметром от 0,03 до
0>35 мм. Жгуты могут иметь плоскую или цилиндрическую
Форму. Проволочно-жгутовой монтаж обладает существенными
недостатками, ограничивающими его применение: большая
трудоемкость изготовления (до 40% сборки), большой занима-
емый объем (до 35%), невозможность автоматизации расклад-
ки проводников.
Существенно меньшими габаритными размерами обладает
гибкая матрица —«ремень» с системой фиксированных отпер,
стий, через которые пропускаются проводники связей
(рис. 5.75). Этот вид монтажа занимает не более 15% по-
лезного объема блока. Кроме того, гибкая матрица одно-
временно выполняет роль своеобразной несущей конструк,
ции укрепленных на ней ячеек, способных разворачиваться
веером.

Рис. 5.75. Использование гибкой матрицы — «ремня» для электри-
ческого объединения ячеек:

/ — печатная плата с микросхемами (ячейка); 2—гибкая матрица — «ремень»;

3— винт; 4— металлическая прокладка; 5—проводники поперечных трасс;
б —проводники продольных трасс; 7—жгут проводников

Гибкая матрица, сформированная прессованием резины
типа ИРП, имеет ширину, определяемую шириной ячейки,
и длину, необходимую для объединения определенного
количества ячеек. На гибкой матрице имеются выступы
высотой 5—8 мм, расположенные с шагом 8~12 мм на всю
ширину ремня. Между выступами есть отверстия диаметром
1,5—2 мм, такие же отверстия имеются в выступах с
шагом 5—5 мм. Провода по 16—20 шт. объединяются в
жгуты и прошиваются в отверстия. Часть жгута может
ответвляться в поперечном направлении либо через отверстия
выступов выходить на контактные штыри либо контактные
площадки плат ячеек. Рамки ячеек монтируются в промежут-
ки между выступами и крепятся к ним с помощью винтов
и металлических пластин-прокладок. Ремень шириной 70 мм
способен объединить в себе до 250 проводников.

Задания для самопроверки

1.	Назовите воздействующие на транспортируемые ЭВМ механические
факторы и характеризующие их параметры.

2.	Назовите способы увеличения (уменьшения) собственной частоты
колебаний конструктивных элеменюв.

3.	Как рассчитать собственную частоту колебаний блока, зная собст-
венные частоты колебаний составляющих его элементов?

4.	Чем определяется эффективность системы амортизации?

5.	Назовите основное условие расстановки амортизаторов.

6.	Назовите методы увеличения плотности компоновки ЭВМ.

7.	Назовите преимущества и недостатки трехмерной компоновки,
конструирования на бескорпусных микросхемах, на ИС в микрокорпусах.

8.	Какие способы охлаждения наиболее характерны для транспортиру-
емых ЭВМ?

9.	Какова динамика изменения теплоотводящих свойств жидкостей при
повышении температуры?

10.	Поясните принцип работы тепловой трубы.

11.	В каких случаях применяются термоэлектрические устройства
охлаждения?

12.	Как влияют климатические факторы на работоспособность конструк-
ционных материалов?

13.	В каких -случаях проводится пропитка? заливка? обволакивание?

14.	Как влияет окружающая температура на качество герметизации?
ГЛАВА 6

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ
ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТОВ, УЗЛОВ
И УСТРОЙСТВ ЭВМ И СИСТЕМ

Надежность и достоверность работы ЭВМ и систем зависят от их
помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным
и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения
помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ зависят как сроки разработки
изготовления и наладки ЭВМ, так и нормальное ее функционирование
в процессе эксплуатации. Наиболее успешная борьба с помехами возмож-
на лишь в том случае, когда разработки электрических схем и конструк-
ций элементов и узлов неразрывно связаны. При этом разработчики
электрических схем должны обладать необходимым минимумом знаний по
вопросам конструирования, а конструкторы правильно разбираться в
функциональном назначении и принципах работы тех или иных элементов
и устройств.

§ 6Л

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ

Помехой для вычислительного устройства является внеш-
нее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению
дискретной информации во время ее хранения, преобразова-
ния, обработки или передачи. Так как информационные
сигналы в ЭВМ имеют электрическую природу, то при
конструировании необходимо учитывать помехи той же при-
роды, как наиболее вероятные источники искажения инфор-
мации. Борьба с помехами приобретает все большую акту-
альность из-за следующих причин.

1.	Энергетический уровень информационных сигналов
имеет тенденцию к уменьшению (повышение частоты и
снижение перепада напряжений), а энергетический уровень
внешних помех непрерывно увеличивается, что обусловлено
ростом энерговооруженности народного хозяйства. Так,
например, вольт-секундная площадь импульсов в логических
элементах ЭВМ первого поколения составляет 6 • 10~6 В • с,
в логических элементах ЭВМ второго поколения —пример-
но 3 • 10~6 В • с, а в элементах ЭВМ третьего поколения—
только 0,3 • 10-6 В • с. В тех узлах ЭВМ, где происходит
физическое преобразование информации (например, в магнит-
ных запоминающих устройствах), приходится иметь дело
с еще меньшими полезными сигналами. Так, вольт-секунД-
ная площадь сигналов, снимаемых с ферритового сердеч-
ника типа 1,3 ВТ —2 XI,4X0,9 будет иметь значение
порядка 0,06 • 10~6 В • с. Сигнал со считывающей головки на-
копителя на магнитных дисках составляет примерно
0,01 • 10-6 В • с. Для сравнения укажем, что вольт-секундная
площадь паразитного импульса перенапряжения, получающе-
гося при разрыве тока в 100 мА, протекающего через
индуктивность (например, реле) в 100 мкГн, составляет
10- Ю"6 Вс.

2.	Увеличение взаимного влияния элементов из-за умень-
шения габаритных размеров активных элементов и линий
связи между ними, а также увеличения плотности их раз-
мещения.

3.	Возрастание уровня помех из-за усложнения системы,
в частности увеличения числа внешних устройств, которые
содержат большое количество электромеханических узлов.

4.	Внедрение вычислительной техники во все сферы
человеческой деятельности.

Существует большое число различного рода помех, в
большей или меньшей степени оказывающих влияние на
работу логических, запоминающих и других устройств ЭВМ.
Помехи могут быть классифицированы по причине наведения,
характеру проявления и пути распространения (рис. 6.1).

Помехи в цепях связи и сигнальных цепях могут быть
оценены в процессе проектирования. Характерные особен-
ности этого вида помех —относительно малая длительность
и большая интенсивность. Существенное отрицательное

Рис. 6.1. Классификация помех в ЭВМ
воздействие оказывают также и менее интенсивные, но более
длительные возмущения. Так, скачки напряжения питания на
15% длительностью всего в полпериода промышленной часто-
ты нарушают работу некоторых ЭВМ, а при возмущениях
больших, чем 20%, и длительностью более чем шесть перио-
дов значительная часть видов ЭВМ работает ошибочно.

В последние годы ведется интенсивная работа над
экономичными и эффективными способами сохранения
информации в ЭВМ при аварийных отключениях электро-
питания. Это особенно важно для управляющих ЭВМ.
Отключение энергоснабжения на производственных предприя-
тиях происходит довольно часто. Так, согласно статистике, частота
отключений энергоснабжения в год на одно предприятие
химической и нефтяной промышленности составляет 10—16,
а среднее время простоя —4 ч (максимальные простои
достигают 60 ч).

В ЭВМ чаще всего могут использоваться потенциальные
системы элементов, в которых состояния «1» и «0» кодиру-
ются соответственно высоким (низким) и низким (высоким)
уровнями напряжения. Помеха, накладываемая на эти напря-
жения, приводит к ошибочному срабатыванию схем, когда
ее амплитуда усиливается по мере распространения вдоль
цепочки элементов и связей между ними. Допустимое
напряжение помехи на входе элемента равно амплитуде
сигнала, отсчитанного от уровня t/°ax или U^in (в случае
кодирования состояния «1» высоким потенциалом, а состоя-
ния «0» —низким потенциалом), который приводит к появле-
нию на выходе элемента сигнала равной амплитуды. От-
сюда максимально допустимое значение помехи на входе
элемента для низкого и высокого уровней соответственно

7/0	— II _ II» . zrl — ri _ ill

°иом—° п '-'max» о лом—п о пип»

где Un~напряжение, при котором коэффициент усиления
элемента по напряжению равен единице (порог срабатывания
элемента).

Основные причины, вызывающие искажения сигналов при
прохождении их по цепям ЭВМ, следующие: а) отражения
от несогласованных нагрузок и от различных неоднород-
ностей в линиях связи; б) затухание сигналов при прохож-
дении их по цепям последовательно соединенных элементов;
в) ухудшение фронтов и задержки, возникающие при вклю-
чении нагрузок с реактивными составляющими; г) задержки в
линии, вызванные конечной скоростью распространения сиг-
нала; д) перекрестные помехи; е) паразитная связь между
элементами через цепи питания и заземления; ж) наводки
от внешних электромагнитных полей. Степень влияния
каждого из перечисленных факторов на искажение сигналов
зависит от характеристик линий связи, логических элементов
и1,сигналов, а также от конструктивного выполнения всей
системы элементов и связей, т. е. ЭВМ.

§ 6-2

’связи МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ В ЭВМ И СИСТЕМАХ

Связи между элементами ЭВМ можно выполнить различ-
ными способами:

1)	для сравнительно медленных устройств —в виде печат-
ных или навесных проводников;

2)	в устройствах с повышенными скоростями работы —
в виде печатных полосковых линий, «свитых пар» (бифи-
ляров), в качестве обратного проводника —«земляных пластин»,
сравнительно большого сечения шины питания.

При группировке элементов по узлам и блокам между
ними образуется большое число электрических связей,
которые можно разделить на электрически «короткие» и
электрически «длинные». Электрически «короткой» называют
линию связи, время распространения сигнала в которой много
меньше значения переднего фронта передаваемого по ли-
нии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных
нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше,
чем успеет существенно измениться входной импульс.
Свойства такой линии можно описать сосредоточенными
сопротивлениями, емкостью и индуктивностью. Электрически
«длинная» линия связи характеризуется временем распростра-
нения сигнала, много • большим фронта импульса. В этой
линии отраженный от конца линии сигнал приходит к
ее началу после окончания фронта импульса и искажает
его форму. При расчете такие линии следует рассматривать
как линии с распределенными параметрами.

В пределах ячеек и модулей связи, как правило, элект-
рически «короткие». Соединения внутри субблоков, блоков,
панелей, внутристоечные и межстоечные для быстро-
действующих микроэлектронных ЭВМ в основном электри-
чески «длинные». Количество «длинных» связей в машинах
с ростом их быстродействия растет: доли процента от
общего числа связей в машинах первого поколения и
единицы и даже десятки процентов в машинах второго и
третьего поколений.

При определении уровня помех, наводимых в линиях
связи, нужно учитывать электрические параметры линий,
Представленные на рис. 6.2. К этим параметрам относят:
а) для «коротких» линий: £,—индуктивность линии, Гн;

-емкость линии, Ф; /?, — сопротивление линии, Ом; С,,—
взаимную емкость соседних линий, Ф; —взаимную
индуктивность соседних линий, Гн; — проводимость изоля-
ции между соседними линиями, См; б) для «длинных»
линий: Li0, Ci0, Ri0, CijQ, M UQ, G ,,n - те же параметры,
распределенные на единицу длины; z0 = -/£0 /Со — волновое
сопротивление линии, Ом.

Кроме того, при расчете помех необходимо знать длину
линии связи, входное и выходное сопротивления нагруженных
на линии связи элементов, а также их входную и выход-
ную емкости. Так как логические схемы имеют нелинейные
входные и выходные характеристики, то их входное и вы-
ходное сопротивления при переключении схем из одного
состояния в другое могут изменяться на несколько порядков.
Ниже приводится анализ искажений, вносимых тем или иным
параметром линий связи в процессы передачи импульсов.
При этом считается, что так как омическое сопротивление
линии связи, как правило, мало, то потерями, вносимыми
этим параметром, можно пренебречь. При необходимости
омические потери можно определить, используя соответствую-
щие выражения из § 3.3. Кроме того, опыт показывает,
что проводимость изоляции между линиями связи также
очень мала (10-1.0—10~6 См/м), что позволяет также пренебречь
потерями, вносимыми параметром G fJ (Guo).

§ 6.3

ПОМЕХИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭВМ «КОРОТКИМИ»
СВЯЗЯМИ

При анализе процессов передачи сигналов электрически
«короткую» линию связи можно представить в виде экви-
валентной схемы, содержащей сосредоточенные индуктив-
V

ность и емкость (омическим сопро-
тивлением пренебрегают). Паразит-
ную связь между двумя «короткими»
дйниями также можно представить
Как связь через сосредоточенную
взаимную емкость и взаимоиндук-
тивность. В зависимости от гео-
метрических размеров сечений ли-
ний, их длины, диэлектрических
свойств изоляционных материалов
тот или иной параметр линии может
оказывать большее воздействие на
процессы передачи сигнала, чем все
остальные. Исходя из предположе-
ния преобладания того или иного
параметра, рассмотрим влияние каж-
дого из них в отдельности на пере-
дачу сигналов.

Индуктивный характер сигналь-
ной связи. Эквивалентная схема
соединения двух элементов Э, и Э2
в этом случае представлена на
на рис. 6.3, а. При подаче на вход

жения амплитудой £/ВЬ1Х1 состояние схемы может быть описано
дифференциальным уравнением мВХ2+ [£(-Явь1Х1 + /?Вх2)1 X
X(JwBX2 /dt) = t/выхь При этом напряжение на входе второго
элемента «вх2 = (Авх2 /(/?вх2 +7?ВЫх1)] (1 —е—Г/т), где т = Л/(/?вх2+
“Ь R вых 1 )•

Так как в микроэлектронных элементах, как правило,
выполняется соотношение	то

Рис. 6.3. Индуктивный характер
«короткой» линии связи:

«—эквивалентная схема; б —
временная диаграмма

схемы ступеньки, напря-

и

цвх2« £/пых|(1— е IZ')

'г» /-//?„<>.

(6-1)

Элемент Э2 срабатывает, когда напряжение на его входе
wbx2 достигает порога срабатывания Un, т. е. с некоторой
задержкой тзд (рис. 6.3, 6). Задержка может быть опреде-
лена из (6.1). Если принять wBX = Un = £7ВЬ1Х /2, то тзд«0,7т=
=0,7Л//?вх2.

Для уменьшения задержки необходимо уменьшать индук-
тивность линии и увеличивать входное сопротивление
элементов.

Индуктивность линии связи зависит от типа используемых
проводников, их сечения и длины. В табл. 6.1 представлены
некоторые конфигурации систем проводников связи и формулы
для расчета их индуктивности (на 1 м длины).
Таблица 6.1

N п/п	Система проводников	Скемо				Lo, Гн/м	Co, Ф/м	
1	Симметрич- ная полос - новая линия	с		i<b		illy a 3-108 b	c.g b a	
2	Двупровод - ная линия	с/  оМ W  а<д				276p., 2d з-юа1п 0	r- Cr  “ Ln —  In a	
3	Провод над бесконечной пластиной	Ь/2  Г#				138p, Zb  	<-2 Ln	  3-tQ8 a		
4	Провод между двумя бесконечны- ми пласти- нами	о				138 p, 46  B L n —  3-108 Яа	27i-^~ InAh. Jia	
5	Несиммет- ричная по- лосковая ли ния		a<b			377p h  3-108 b	' l'\h Я.  +1  + h	1+  HZ?
6	Плоский проводник между двумя бесконечны- ми пласти- нами	а л I* *!-<»•				1_38p	8_±  3-108 Tib	op T.,- £0 In^.  Tib	
7	Коаксиале - ный кабель					•Q jo о адs	2Tt-^-H-- In—	

-а

В ЭВМ третьего и последующих поколений используют
элементы, время переключения (задержка) которых составля-
ет доли и единицы наносекунд. Желательно, чтобы задерж-
ка, вносимая линиями связи, составляла малую, в худшем
случае соизмеримую, часть от времени переключения эле-
ментов.

Пример. Определить, какой должна быть длина линии конфигурации 5
(табл. 6.1) при условии, что задержка сигнала, вносимая ее индуктив-
ностью, не превышает 0,5 нс.

Учитывая, что t/n = /?Bblx/2, R вх = 100 Ом, h/b = \ и р-1 т
~Lol/RBX = 377 hl/(3- \&bRBX), получим I = [3 • 10в/>Явх тзд/(377 /?)] « 4 см.

Емкостный характер сигнальной связи. Эквивалентная схе-
ма для расчета реакции сигнальной связи, имеющей емкост-
ный характер, представлена на рис. 6.4. В соответствии с
Законом Кирхгофа имеем u8xi +

R вых 1 fwBX//?Bx2 + Cdu вх2 /dt)^ С/Вых1
ИЛИ ^вх2 (Rb\1 "Ь R вых!) /R вых! +
'?’Т?вых2 С(^Мвх2 /dt) t/пых 1-

Рис. 6.4. Емкостный харак-
тер «короткой» линии связи
(эквивалентная схема)

«вх2 = Увых|[^?вх2/(^вх2 + ^?вых1 )] ( 1-б

где

т---С[/?вх2^?вх1 /(/?,. х_’ 4- /?вых i )]-

При Явых < R

ийтЛ(\-^\, '
~ /?ВЫХ I С.

(6.2)

Влияние емкости сигнальной связи аналогично влиянию
индуктивности сигнальной связи и выражается в задержке
включения нагруженных схем (см. рис. 6.3, б). Если в
выходном каскаде элементов используют эмиттерный повто-
ритель или инвертор в режиме включения, то R имеет
значение порядка десятков ом. Когда транзистор выключает-
ся, выходное сопротивление становится равным коллектор-
ному и время заряда емкости сигнальной связи определя-
ется током, протекающим через это сопротивление. Приняв
t/вых - UK; 7?вых2=7?к, Мвх = Un и /=тзд, получим t/n =
= С/к(1 - е - Тзд/т).

Так как UB<UK, а т>тзд , то

t/n« (/кТзд/т=(Укт,д/(/?кС).

Так как значение UK /RK. равно значению тока 1К заряда
емкости С, то

Тзд = С(У„//к.	(6.3)

Формулы для расчета емкости на единицу длины неко-
торых типов линий связи представлены в табл. 6.1.

Пример. Пусть связь между элементами осуществляется печатным
проводником конфигурации 5 (табл. 6.1) при b/h = 2, емкость такого
проводника определяется выражением С— 17,7	ег/{2/>//? + (Г / л )[1 + 1п(1+

+ 2л/>//?)]} Ю-’2 Ф/м. Определить допустимую длину сигнальной связи
между элементами, в которой задержка сигнала не превышала бы 1 нс
при Un = IB, ZK-0,02 А, ег=3:

/^Тзд/К/(17ПС)=7,5 см.

Паразитные емкостная и индуктивная связи между
сигнальными проводниками. С уменьшением геометрических
Размеров элементов и повышением плотности их размеще-
ния между сигнальными проводниками возникают емкостная
и индуктивная связи. При переключении элементов по
сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми
Фронтами, которые вследствие наличия паразитных связей
наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. Послед-
ние при определенных условиях могут вызвать ложное сра-
батывание элементов схем. Необходимо, чтобы значение помех
не превышало допустимого предела.

Рассмотрим две цепи, выполненные по печатной техно-
логии, имеющие общий участок /, на котором они распола-
гаются параллельно друг другу на расстоянии d (рис. 6.5, а).

Рис. 6.5. Паразитные емкостная и индуктивная связи между «ко-
роткими» линиями связи

На этом участке между ними имеются взаимные ем-
кость С112 и индуктивность М| 2.

Проведем анализ наводимой емкостной и взаимоиндук-
тивной помех. Для этого предположим, что в первом слу-
чае цепь —источник помех — нагружена на источник напря-
жения U, а во втором случае —на источник тока I. Взаим-
ные емкость и индуктивность печатных проводников соот-
ветственно

C1.2 = 0,12-10-12Ej/lg[2d/(a+ft)];	(6.4)

M1.2 = 2/(2,3lg[2ft/(d+ft)] + (d+ft)//4-l)l0-8.	(6.5)

В случае преобладающего влияния емкостной связи между
сигнальными цепями (Л/^0) в соответствии с эквивалентной
схемой (рис. 6.5, 6) при прохождении по линии-индуктору
сигнала амплитудой U и фронтом нарастания тф уравнение
для расчета наводимой помехи имеет вид

цпои(/) = ис^..^ • {[ 1 -е~ (с„+с....)^Г"| ?(/) _

— [j—е (C|.’+c"-)r"-^y(Z—тф)|,
где

Лн.экв — Abxj/?вых2/(/<вх,+	с„ ,KB = C+C,Ux + nC„„

(С—емкость линии-приемника относительно земли, Ф;
СВых ~ выходная емкость пассивного генератора линии-прием-
ника, Ф; Свх — входная емкость нагрузочного элемента линии-
приемника, Ф; л—число элементов нагрузки; у (Г) и y(t— тф) —
единичные ступенчатые функции.

Максимальное значение сигнала помехи при г = тф и при
Ci,2> Сн.экв равно

1/„ом=—(1-е-’*/т);

Тф	7

Поскольку тф>т и Rвх > Rвых, получим

Одом Ут/Тф = Си/Тф.

Для выполнения условия надежной работы элемента не-
обходимо, чтобы выполнялось неравенство

Опом Одом.доп ИЛИ С|.2<Тф/гПом//?вых,	(6.6)

где кпом = Uпом.доп коэффициент помехоустойчивости эле-
мента.

Подставив в (6.6) выражение для расчета емкости связи
и решив его относительно параметра /, найдем допустимую
длину общего участка 1С.

Для связей, представленных на рис. 6.5, а, допустимая
длина проводов равна

/	тФ^пом' S 2d/(g 4~ 6) । г,12	(67)

с 0.12е,Явых

Неравенство (6.7) определяет условия надежной работы
элементов ЭВМ. Для его выполнения необходимо уменьшать
выходное сопротивление, длину связей и их сечения,
увеличивать фронт импульсов и коэффициент помехоустой-
чивости элементов, расстояние между линиями связи, при-
менять изоляционные материалы с хорошими диэлектриче-
скими свойствами.

В случае преобладающего влияния взаимной индуктивной
связи между сигнальными цепями необходимо учитывать
значение и фронт импульса тока, протекающего по цепи —
источнику помех. ЭДС, наведенная на другой цепи связи
(рис. 6.5, в),

.	Одом === М 1,2^/Тф.

Так как RBblx<RBX. то это напряжение практически
полностью будет приложено к сопротивлению RBX и воспри-
нято как помеха.

По аналогии с (6.6) условие надежной работы элемента

Опом Опом.доп' ИЛИ Л4| ,2 ОпТф//,	(6-8)

где Un — порог срабатывания элемента.

Подставив в (6.8) выражение для расчета взаимной
индуктивности между проводниками и решив его относи-
тельно параметра /, найдем допустимую длину /м общего
участка связей.

Для случая, представленного на рис. 6.5, а, такое не-
равенство примет вид

2Z{2,31g[2Z(d + b)] + (d+&)/Z+ 1}10-в<(У„тф//.	(6.9)

Чтобы обеспечить устойчивую работу элементов, не-
обходимо уменьшить длину цепей связи, амплитуды токов,
увеличить порог срабатывания элементов, фронт передавае-
мых импульсов, расстояние между проводниками связей.

Уравнение (6.9) трансцендентное, и решать его следует
методом итераций.

В общем случае в цепи —приемнике наводки —возникают
как емкостная, так и индуктивная помехи. При этом емкост-
ная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а
индуктивная создает разность потенциалов между входом
и выходом линии. Прямой способ нахождения суммарной
помехи сложен. Достаточно хорошее приближенное реше-
ние может быть найдено путем нахождения /с и 1М для
каждой составляющей допустимой помехи. Полагая, что
амплитуда помехи пропорциональна длине провода, можно
определить допустимую длину общего участка двух сигналь-
ных цепей по формуле

[ / —(с/м/(/с+СТ- ]	(и. 1 о)

Пример. Пусть имеем параметры линии связи (рис. 6.5, а), равные
/> = 0,5 мм, </ = 0,3 мм, а = 0,05 мм. При этом г* =10 нс, кпом =0,5,
ЯВЬ1Х =200 Ом; =2,/= 10 мА, (/= 1,0 В.

Определить максимально допустимую длину линии связи.

При емкостной помехе допустимая длина провода после подстановки
в (6,7) всех данных оказывается равной /с^ 414 см.

По (6.8) найдем допустимую взаимную индуктивность: Mi,2 = l мкГн.
По формуле (6.9) методом итераций находим /м< 166 см.

Допустимая длина соединения с учетом суммарного воздействия емкост-
ной и индуктивной наводок по (6.10) I** 117 см.

§ 6.4

ПОМЕХИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ЭЛЕМЕНТОВ «ДЛИННЫМИ» СВЯЗЯМИ

Отражения в «длинных» линиях связи. Электрически
«длинную» линию связи при расчетах схем рассматривают
как однородную линию с распределенной емкостью Со
и индуктивностью Lo. Переходные процессы в таких линиях
зависят от характера перепада напряжения ивх на входе
линии и соотношения волнового сопротивления линии z0,
выходного сопротивления zr генератора импульсов и вход-
ного сопротивления zH нагруженного на конец линии
элемента (рис. 6.6, а).

Из теории «длинных» линий известно, что если линия
с волновым сопротивле-
нием z0 нагружена на
сопротивление zH, то коэф-
фициент отражения, оп-
ределяемый как отно-
шение изображения (по
Лапласу) напряжения от-
раженной волны к изобра-
жению напряжения падаю-
щей волны, определяет-
ся соотношением

Мр) = Иотр(р)/И»ч(р > =

= (z„ — zo)/(z„+ ?(,')	(6.11)

Если zH = zQ, то Ku(p)=Q
и такую линию называют
согласованной — в ней не
происходит отражений от
сопротивления нагрузки.

Если zH^z0, то Klt(p)^Q
и такую линию называют
несогласованной: волна на-

Рис. 6.6. Схема определения отражений в
«длинной» линии связи:

а — электрическая схема; б— схема прохождения
прямых и отраженных волн напряжения

пряжения, достигнув конца
линии, отражается синфаз-
но [в случае Ku(p)>Q\
или в противофазе [в слу-
чае Ки(р)>0]. Отраженная

от конца линии волна напряжения, достигнув ее начала,

или затухает, если zr=z0, или вновь отражается, если
zr^z0. На рис. 6.6, б схематически представлен процесс
прохождения волны напряжения в линии, для которой
И ZH ± Zq.

Генератор выдает напряжение u(t). На входе линии связи
это напряжение преобразуется в напряжение uBX(t) в соот-
ветствии с формулой

ывх(0— [zo/(zo 4- Zr)]u(t).

В свою очередь, это напряжение, пройдя по линии связи
со скоростью V— 1 / т/£0С0, через время Т = I / v = /-i/£0C0
Достигнет конца линии и отразится от него с коэффициентом
отражения

= (z„ — Zo)/(z„ 4-Zo).

Отраженная волна через время Т, дойдя до начала линии,
отразится от него с коэффициентом отражения

Ки2 — (z, Z(i)/(zr 4- Z„).
Процесс поочередного отражения волны напряжения от
обоих концов линии связи продолжается до тех пор, пока
амплитуда отраженной волны не уменьшится до нуля
Отраженные волны напряжения накладываются на падающие
и в итоге форма входного напряжения может существенно
исказиться.

Аналогичные рассуждения можно привести для волны тока
учитывая, что коэффициент отражения волны тока

'	= (z„ —z„)/(z04-z„). I

т. е. Kt (р) = —Ки(р), а это означает, что волна тока отражает-
ся в противофазе с волной напряжения.

Если zH активно, то (zH — z0) I (zH + zQ) не зависит от
р и Ku(p) = — Ki(p) = KfUV определяет не только отношение
изображений, но и оригиналов отраженной и падающей
волн напряжения и тока. При этом форма отраженной
волны подобна форме волны падающей, а ее величина и
знак определяются Korv. Отражения волн напряжения и тока
могут быть не только от несогласованных нагрузок на
концах линий, но и от различных неоднородностей в ней
самой. .Представленная на рис. 6.7 линия на участке А
имеет волновое сопротивление z01, а на участке В —волновое
сопротивление z02. Волна напряжения (тока), достигнув
границы раздела, при дальнейшем продвижении вдоль
линии изменит свое значение на Kuu^Kt ij, где

Ки = — Ki—(Z()2 — Zoi)/(Z(>2 4" z<) I ).

Это является следствием отражения от границы раздела
двух участков линии с различными значениями волнового

сопротивления.

Рис. 6.7. Схема отражения
волны напряжения (тока) от
неоднородности в линии
связи

Для анализа переходных процессов в электрически

«длинной» линии связи необходимо
знать ее волновое сопротивление z0.

Определение волнового сопротив-
ления линии связи. При нахождении
волнового сопротивления линии
йспользуют метод, заключающийся в
определении погонной емкости Со
линии связи, связанной с ее вол-
новым сопротивлением соотноше-
нием	,,, „,

Zo= 1 /( Ь'оСо).

где ио= 1/1/це == 3 • 108/т/ще, — ско-
рость распространения волны вдоль
линии; ц,. — магнитная проницае-
мость среды; ег — диэлектрическая
проницаемость среды.
Для большинства диэлектриков цг= 1, поэтому

гп=/Ё7/(3-1О8Со).	•	(612)

Емкость между проводниками, образующими линию
связи, определяется как отношение заряда на любом из
них (заряды равны, но противоположны по знаку) к раз-
ности потенциалов ф. Обозначим т заряд на единицу
длины проводника. Тогда погонная емкость

Со = т/<р.	(6.13)

Потенциал, создаваемый линейным зарядом с плотнос-
тью т в точке на расстоянии г от него, равен

Ф = [т/(2ле)]1п (1 /г) 4- const.

При определении емкости проводников, расположенных
вблизи проводящей плоскости, используют метод зеркаль-
ных изображений. При расчете потенциала по этому методу
учитывают заряды основных проводников и фиктивных,
являющихся зеркальным изображением основных относитель-
но поверхности раздела диэлектрик— проводящая плоскость.
Заряд фиктивного проводника при этом берется' обратным
по отношению к основному.

Рассмотрим определение волнового сопротивления линии
связи, образованной тонким проводником круглого сечения
радиусом г, расположенным над проводящей плоскостью
на расстоянии h (рис. 6.8).

Потенциал на поверхности проводника (с учетом основ-
ного и фиктивного проводников) ф1 =[ т /(2л е)] [In (1/г) +
+ In 2h],

Потенциал в любой точке на плоскости, соответствующей
проводящей поверхности, создаваемый системой зарядов
основного и фиктивного проводников, равен нулю, и иско-
мая разность потенциалов равна <рр Отсюда, учитывая
(6.12) и (6.13), находим

Zo = [/^ /(3-Ю8)][1/(2л8)]1п(2/г/г).

Так как е— е0 е r = е г /(36 л • 105) Ф/м,то

го=(6О//57 )1п(2Л/г).	(6.14)

Выражение (6.14) действительно для
(тонкий провод). При (Л/г/>2 оно
дает 5%-ную ошибку, при (h /г)>3—1,5%, а
(h 7г) >5— лишь 0,5%. Для (h /r)>\ более точ-
ный результат получают из выражения

zo=(6O/ Tv, )Arch(ft/r) = (60/ Tzr )ln(ft + /ft2— г2 }/г.

В табл. 6.2 приведены формулы для
Расчета волнового сопротивления линий
связи различной конфигурации.

Рис. 6.8. Опреде-
ление волнового
сопротивления ли-
нии связи
Отражения в «длинной» линии связи при различных
нагрузках. К линии связи могут быть подключены один
или несколько нагрузочных элементов, реакцию каждого
из которых на подаваемое в линию напряжение определяют
характером и значением его входного сопротивления.
В общем виде входное сопротивление нагрузки можно

Таблица 6-2

60_	Г2_

п г1

Рис. 6.9. Схема эквива-
лента нагрузки на линию
связи

60 , hJr''lh2-r2

60 , [2(hi+h2)
\/Ё7Дл| Jcr

120 а
хГ^т' ь

а)
иА

Чцтр

иотр

zn - Яр

6)
чА

в)

“а

г)
иА

I---------z0

I	г0 - 6}

Г----------zg>/?3

I KUl--0
4-------------

Рис. 6.10. Временная ди-
аграмма реакции линии
связи на входной сигнал
при резистивной на-
грузке

60 , 20^1+4 h2/d2

Wr П г

представить в виде эквивалентной схемы, изображенной
на рис. 6.9. Эта 7?С-цепь адекватна большинству нагрузочных
схем, используемых в цифровых системах, и позволяет
получать чисто резистивную (Т?2=°°) и чисто емкостную
(/?i =00, r2 =о и 7?з =°°) нагрузки на линию.

Рассмотрим линию связи, представленную на рис. 6.6, а-
Пусть линия длиной / подключена к генератору напряже-
ния u(t), имеющему выходное сопротивление zr. Допустим,
что волновое сопротивление линии z0 = zr. Время прохожде-
ния сигнала вдоль линии будет Т, на вход линии подается
напряжение произвольной формы. Проведем исследование
влияния характера нагрузки, представленной на рис. 6.9, на
процесс передачи входного сигнала. Для анализа используем
операторный метод, нашедший широкое распространение
при исследовании электрических цепей.

1.	Нагрузка чисто резистивная (R2=°°, zH=R3). В этом
случае возможны три варианта: zQ = R3, z0<R3 и z0>R3.
В соответствии с (6.11) коэффициенты отражения по напря-
жению для каждого из вариантов равны: Кп =0, /Си2>0,
Ku3<0.

Если на вход линии подается ступенька напряжения
амплитудой U (рис. 6.10, а), то при z0 = R3 отражения от
конца линии не произойдет и форма сигнала на входе
линии (в точке А на рис. 6.6, а) не изменится. При
z0 § R3 отраженная волна через время 2Т достигнет точки А
и форма сигнала исказится (рис. 6.10, а).

При подаче на вход линии напряжения с линейно изменяю-
щимся фронтом происходит искажение входного сигнала так,
как представлено на рис. 6.10, б (при 2Т> тф) и на
рис. 6.10, в (при 2Т<тф).

В случае подачи на вход линии напряжения с экспо-
ненциально нарастающим фронтом форма его искажается
так, как показано на рис. 6.10, г.

2.	Нагрузка чисто емкостная (7?1	Т?2=0, Лз^00).

В этом случае zH = l/(Cp) и К(р)= [\/(Cp)-zQ] / [1 / (Ср) + z0] =
= [1 / (z0C)—р] / (z0Q + р\, где р — оператор Лапласа; С—емкость
нагрузки.

Введем обозначение l/(z0Q= а, тогда Кр= (а—р)/ (а +р).

Если падающая волна представляет собой единичную сту-
пеньку с бесконечно коротким фронтом (рис. 6.11, а), то
“пад(р) = 1/р; «отр(р)= (а-р)/[р («+р)1 •

Переходя к оригиналам, находим

«оТр(/)=1 -2е.-“(.

Пусть входной сигнал — единичная ступенька напряжения
с линейным фронтом нарастания длительностью т (рис. 6.11, б).
Тогда

имя(р)=(1 — е_р’)/(р2т),

“отР(р) = (а—р)/[р2т(р + а)] — [(а — р)е“рт];/ [р2т(р + а) ],
и R2(e“a'— О+ОЛаО при

“°Тр }	|{2(е-а‘-1)+а/-2[е-о(‘-1>-1]4-а(/-т)}Да0при />т.

Для экспоненциальной падающей волны с постоянной
Рис/ 6.11. Временная диаграмма
реакции линии связи на входной
сигнал при емкостной нагрузке

Рис. 6.12. Временные диаграммы
реакции линии связи на входной
сигнал при резистивно-емкостной
нагрузке

=	ипад (р) = 1I р 

времени (рис. 6.11, в) мПад(0
- 1/(р+р), Р=1/т,

МотР(р) = [(а - р)₽]/[р(р + а)(р + ₽)].

Переходя к оригиналам, находим

Иотр(0 —

1—[20е а‘ — (а + р)е р']/(0 — а) при 0=#а;

1 — (1 2af)e~a‘ при 0 = а.

При р > а, когда z0C> т, отраженный сигнал имеет
отрицательный выброс. При р<а (z0C^ т ) отрицательный
выброс отсутствует.

3.	Нагрузка резистивно-емкостная (R3=°°, R2=0, С^О,
R^= z0). В этом случае zH = z0/(l 4- z0Cp); К(р) =-р/(р + а),
где a=2/(z0C).

Для ступеньки напряжения на входе линии (рис. 6.12, а)
ит(р) = 1/Р: «отр(р) = -1 /(Р+ a); Wotp(0 = -e~d' •

При падающей волне в виде ступеньки с фронтом т
(рис. 6.12, б) мпад(д) = (1-е^1) / (р2 т ; w0Tp(p) = -(1-е~ pt) /
[ тр(р+ а)].

Переходя к оригиналам, найдем

|(е_“т— l)/af при t^T,
"тр [ (е-ат — е'"1(/_т))/(ат) при t>x.
Иогр(0 =

При подаче на вход линии экспоненциально возрастающего
напряжения (рис. 6.12, в) ипзл(р) = 1 / р - 1 / (р + р ) = р/[д(д +
+ р)]; »ОГР(р) = р/[(д+а)(р+р .)].

Переходя к оригиналам, найдем

10/(0 — а)](е_,)' — е“"') при 0=#а;

а-|-е-и/ при 0 = а. \

4. Рассогласование волнового сопротивления с входным
и нагрузочным сопротивлениями. Пусть zH = R„ = R3, R2=°°
и z,=Rr. В том случае, когда линия согласована на входе
или на выходе, т. е. когда одно из сопротивлений R3 или
Rr равно z0, искажения минимальны и выражаются лишь
в задержке сигнала на величину т3 = Т (рйс. 6.13, а). На
рис. 6.13, б представлен случай, когда сопротивления RH
и Rr или много больше z0, или много меньше z0. При
больших RH и RT на характер переходного процесса су-
щественное влияние оказывает емкость линии, на заряд
которой затрачивается много времени. При малых RH и
RT переходный процесс в основном определяется суммарной
индуктивностью в линии, препятствующей быстрому нараста-
нию тока. Если допустить, что Un — порог срабатывания
элемента, нагруженного на данную линию, то его включения
следует ожидать через т, > Т.

В том случае, когда RH> z0, a Rr< z0 (или RH < z0, a
R, > z0), возникает колебательный переходный процесс
(рис. 6.13, в). Задержка, определяемая временем успокоения
колебательного процесса,
здесь также велика. Одна-
ко переколебания в данном
случае могут достигнуть та-
кого значения, что вызовут
ложное срабатывание эле-
ментов, нагруженных на
линию (рис. 6.13, в).

Пример. Пусть на вход линии
связи с ?о = 93 Ом подключен ге-
нератор ступенчатого напряжения
единичной амплитуды, имеющий
Лг=25 Ом. Выход линии сво-
боден:	(рис. 6.14, а).

Определить характер изменения
напряжения на входе и выходе
Длинной линии связи.

На рис. 6.14, б представлена
схема для расчета амплитуд и фаз
отраженных от обоих концов
Диний волн напряжений, а на
Рис. 6.Г4, в — форма напряжения в
начале (точка Л) и в конце
(точка В) линии. Анализ формы

иВх

О)
ивых

5)
ивых

Un
6)
^вых

Un

О

2

4

Б t/T

Бн=гоили Rr-z

О

2 	4

Б t/T

RH и Rr^Zo или RH и Rr^Za

6 t/T

О . 2 Г

и Rr^o или R^<ZqU Rr>z0

О

2

4

Б t/T

Рис. 6.13. Временные диаграммы в случае
рассогласования волнового сопротивле-
ния линии связи с входным и нагру-
зочным сопротивлением
Рис. 6.14. Пример определения падающих и
отраженных волн напряжения в несо-
гласованной линии связи

При ЭТОМ UOTp < ивхк п,<1
Отсюда

n = 21g а/1 g й = 21g а/1 g[(/?„ — z0)/(R„ + z0)].

напряжения показывает, что
в данном случае амплитуда пе-
реколебаний достигает 34 %
(в сторону уменьшения) и
58% (в сторону увеличения).
Колебательный процесс уста-
навливается (при условии
что 6'п = 0.8) через время’
равное 9 Г.

В общем случае время
задержки, вносимое ли-
нией связи, можно оце-
нить следующим образом.
Пусть /?г—0, тогда кх =
= -1, а кн = (RH-z0)/(RH +
+ zQ) = к. После п прохо-
дов вдоль линии и соот-
ветственно п/2 отражений
от RH амплитуда отражен-
ной волны

^отр п-Wbx^ .

Считаем переходный
процесс законченным, ког-
да величина иотр будет
меньше заданного значе-
ния, определяемого как
аиВх, где а < 1.

(6.15)

Следовательно, время переходного процесса

т,д = Г(1 + п)=7’{1 +21ga/lg[(/?H - z0)/(/?H + г0)]}.

Пусть a =0,5 и RH /z0 = 2-Г-4. Тогда из (6.15) и = 2-Н0, т. е.

при сравнительно небольших рассогласованиях время переход-
ных процессов резко возрастает.

Для уменьшения влияния выброса на параметры нагружен-
ных ИС в качестве нагрузки используют диоды Шоттки
как динамические нелинейные сопротивления. По мере
возникновения паразитного выброса один из диодов начинает
открываться до тех пор, пока его сопротивление не станет
приблизительно равным волновому сопротивлению линии
(другой диод смещен в обратном направлении и предназна-
чен для гашения обратного выброса). В результате энер-
гия выброса поглощается, что ведет к повышению устойчи-
вости работы ИС. Особенно эффективно использование
диодов Шоттки для длинных (до 1 м) линий связей,
обычно выполняемых бифиляром. Замена бифиляра одиноч-
ным проводом с диодом Шоттки на конце позволяет умень-
шить требуемое количество контактов разъема, ячейки,
субблока, блока и т. д.

Максимально допустимая длина несогласованной линии
связи может быть оценена по формуле

=(Гф//гс)и = (тф//гс)(Со/)

где тф—длительность фронта сигнала, с; г —скорость распро-
странения сигнала, м/с; кс— эмпирическая постоянная, число-
вое значение которой зависит от конструкции схемы и линии
связи; Со = 3 • 108 м/с —скорость света в вакууме; г г —
диэлектрическая постоянная среды; цг—магнитная прони-
цаемость среды.

Для наиболее часто встречающихся случаев и = 2-108 м/с^
кс=4. Значения /тах для разных значений фронтов сигналов:

т ±, нс.......... 30	5	1

/тах,м.......... 1,5	0,25 0,05

Время распространения сигнала вдоль линий связи для
печатных линий не всегда минимально по сравнению с обыч-
ным монтажом. Для ориентировочных расчетов следует
принять удельное время распространения электрических
сигналов в свободном пространстве (вакууме) 3,3 нс/м, по
проводам с фторопластовым покрытием —4,3 нс/м, по печат-
ным проводникам на стеклотекстолите —5,9 нс/м, по печат-
ным проводникам на стеклотекстолите с полиуретановым
покрытием —7,5 нс/м.

Графический метод расчета отражений в «длинных»
линиях связи. Широко известный графический метод расчета
переходных процессов в длинных линиях связи (метод
Бержерона) основан на графическом решении уравнений

—й(Ого==ив(/ —Г) —JB(/ —Г)г 

(6.1b)
'<В(0 + »В(0го = цл(< —Г) —й(/ —Г)ги,

где цА, и у, iA, iB — мгновенные значения напряжения, В,
и тока, А, в начале и в конце линии (см. рис. 6,6, а);
Г—время прохождения сигнала вдоль линии, с.

Уравнения (6.16) описывают переходные процессы в
линии без потерь и используются при числовом расчете
на ЭВМ совместно с уравнениями, задающими граничные
условия на концах линии.

Графический метод может быть использован как для
расчета отражений при активных и пассивных нагрузках
на обоих концах линии, так и для нагрузок, имеющих
сложные, не описываемые аналитически вольт-амперные
характеристики. Суть графического метода заключается в
следующем. Сначала в координатах напряжение— ток строят-
ся вольт-амперные характеристики нагрузочного элемента или
эквивалентной нагрузки и управляющего элемента при «О» и
«1» или эквивалентные вольт-амперные характеристики вол-
нового сопротивления на выходе линии. Затем из текущей
рабочей точки установившегося режима («1» или «О») про-
водят прямую с наклоном l/z0 до пересечения с выходной
характеристикой. Полученной точке соответствует значение
напряжения и тока в начале линии в момент времени
(-0. Из этой точки проводится прямая с наклоном -1 / z0
до пересечения с входной характеристикой нагрузки.
Точке пересечения соответствуют напряжение и ток в конце
линии в момент t = Т. Снова строится прямая линия с
наклоном l/z0 до пересечения с выходной характеристикой
управляющего элемента. Полученной точке пересечения соот-
ветствуют напряжение и ток в начале линии в момент време-
ни Z — 2T. И из этой точки опять строится прямая линия с
наклоном - 1/zo до пересечения с входной характеристикой
управляющего элемента. Этой точке соответствуют напряже-
ние и ток в конце линии в момент времени Z — ЗГ. Про-
цесс построения линий с наклоном l/z0 и — l/z0 и полу-
чения соответствующих точек продолжают до тех пор,
пока переходная рабочая точка не совпадет с другой
точкой установившегося режима. Считывая значения токов и
напряжений с полученных точек пересечения, можно по-
строить осциллограммы напряжений и токов в начале и в
конце линии связи.

В общем виде для линии, приведенной на рис. 6.6, а,
определение переходного процесса' при передаче переднего
фронта сводится к построению диаграммы, приведенной
на рис. 6.15. В координатах u-i строятся вольт-амперная

Рис. 6.15. Графический метод
построения переходного про-
цесса в длинной линии связи

Рис. 6.16. Пример расчета переход-
ного процесса в «длинной» линии
связи графическим методом
характеристика (ВАХ) нагрузки w=zzH и вольт-амперная
характеристика управляющего элемента uA=u-izr. Из точки
установившегося режима с координатами (0; 0) строится
прямая под углом наклона «== arctg(l/z0) (наклон определяет-
ся только масштабом построения) до пересечения с ВАХ2г.
Полученной точке Ао соответствуют напряжение иА и ток
iA в начале линии в момент z = 0. Из точки Ао с накло-
ном (-l/z0) проводится прямая до пересечения с ВАХг .
Полученной точке В\ соответствуют значения напряжения и
тока в конце линии в момент времени t= Т. Далее нахо-.
дятся точки Аг, Вз, Ал, Вз и т. д. до попадания в точку
установившегося режима. Считывая значения токов и напря-
жений в соответствующие моменты времени, можно постро-
ить осциллограммы тока и напряжения в начале и в конце

линии.

Для примера, приведенного на рис. 6.14, решение графи-
ческим методом иллюстрируется диаграммой на рис. 6.16.
ВАХЯн в данном случае представляется линией z — О. Значе-
ния координат иА^, uAt, uAt, иА^ , а также ив, ив , uBi
соответствуют значениям напряжений в соответствующие
моменты времени, приведенные на осциллограммах рис. 6.14, в,
которые получены аналитическим способом.

Достоинством графического метода анализа процессов,

проходящих в «длинных» линиях, является возможность
учета нелинейности ВАХ нагрузочных и управляющих

элементов, что затруднительно при аналитическом методе.
На рис. 6.17 представлены типовые ВАХ нагрузочного

элемента и ВАХ для
выполненных на базе
В случае анализа про-
цесса прохождения
фронта импульса на-
чальное построение ли-
нии с наклоном 1/zo
производится из точ-
ки ГурйО» (точка устано-
вившегося режима «0»)
пересечения ВАХвх и
В АХВЫХ1<о». Для анализа
процесса прохождения
спада импульса построе-
ние линии с наклоном
(l/z0) начинают из точ-
ки Гур«|„ (точки устано-
вившегося режима «1»)
пересечения ВАХвх и
ВАХвых<<1>>. Для послед-

«0» и «1» управляющего элемента,
транзисторно-транзисторной логики.

Рис. 6.17. Применение графического метода в
случае нелинейных ВАХвх и ВАХВЬ|Х
него случая соответствующие точки пересечения на рис. 6.17
имеют, например, индекс Aq-, В\\ А'2; В'3 и т. д.

Затухание сигналов в «длинных» линиях связи. Импуль-
сы, передаваемые по линиям .связи, обладают широким
спектром частот, все компоненты которого имеют различ-
ные скорости распространения и величины затухания. Под
затуханием понимают искажение импульсов по форме с
уменьшением амплитуды.

Напряжение и ток в любой момент времени в любой-
точке передающей линии в общем виде определяют так:

tz(x, 0 = е±у/^"7(х±// /ЬС)\	(6.17)

z(x, l) = e±'/sr7(x±// /LC)/z^,	(6.18)

где f(x+ Z/-/LQ — функция, описывающая распространение
волны со скоростью v = 1 / vLC.

Величину VRG называют постоянной затухания и обозна-
чают а. В (6.17) и (6.18) затухание определяется только
омическими потерями, когда шунтирующие емкостные по-
тери невелики. В линиях, где такие потери велики, при
расчете постоянной затухания необходимо учитывать распре-
деленные емкость, и индуктивность линии. Расчет при этом
сводится к решению довольно сложных уравнений. В том
случае, когда потери в линии относительно малы, постоян-
ная затухания может быть найдена по формуле

_ а — ам + ад = (/?/2) /С/Г + (0/2) /L/C = [/?/(2г0)] + бг0/2,

где ам —коэффициент затухания из-за потерь в металле;
ад — коэффициент затухания из-за потерь в диэлектрике.

Так как G для большинства диэлектриков мало, то
=	C/L =R/(2zA

В том случае, когда для линии связи выполняется
соотношение LQ/RQ = Co/Go, сигнал в линии распространяется
с затуханием, но форма импульса при этом не изменяется.
Такую линию называют неискажающей.

Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Если ли-
нии связи между элементами не экранированы, то электро-
магнитные поля, возникающие при прохождении по ним
импульсных высокочастотных сигналов, не локализованы и в
той или иной степени взаимодействуют между собой. При
этом на линиях-приемниках возникают паразитные сигналы,
форма и амплитуда которых зависят от характеристик
линии-приемника и линии-индуктора, величины их связи между
собой, параметров передаваемых сигналов и степени рас-
согласования самих линий. Амплитуда и длительность на-
веденной на линии-приемнике помехи может оказаться такой,
что вызовет ложное срабатывание нагруженных на нее
элементов.

Пусть линия-индуктор (с параметрами £01, С01,  z02, zr
в начале линии, zHl — в конце линии) на участке длиной
I располагается на некотором расстоянии d от линии-
приемника наводимой помехи (с параметрами £02, Со2, Zq2,
2"2 в начале линии, z"2 —в конце линии). Связь между
линиями определяется взаимной погонной емкостью Ci2
и погонной взаимоиндуктивностыо М.

В случае произвольных значений электрических параметров
линий и значений нагрузочных сопротивлений расчет

напряжения, наводимо-
го в линии-приемнике,
потребует решения
сложных дифференци-
альных уравнений с уче-
том большого числа гра-
ничных условий. Задача
значительно упрощает-
ся, если допустить иден-
тичность электрических
параметров линий (£01 =
= £02 = £о 5 Qi — С02 = О)?
z0i=z02 = z0). Тогда
связь между линиями
можно характеризовать
коэффициентами =
= С12/С0; Х2 = (АГ/£о)Х
X(Co/C1,2) = (M/£)(1//<i).

При полном согла-
совании линий (zr = zHl =
= Zh2 = Zh2 ~ Zq) и малом
обратном взаимодей-
ствии между линия-
ми выражение для рас-
чета наведенного на-
пряжения в линии-
приемнике имеет вид

Таблица б.З

М2(0=К|Л+1

n-sso
где и/0- сигнал на входе линии-индуктора; х — координата
точки наблюдения относительно начала линий; v = 1/vZ^q?

В соответствии с (6.19) наведенное напряжение состоит из
трех волн. Первое две волны имеют одинаковую амплитуду
и распространяются в противоположные стороны со скоростью
и. Третьей волне соответствует последнее слагаемое в (6.19).
Она распространяется в прямом направлении, причем ее амплитуда
пропорциональна расстоянию от начала линий и производной
по времени от управляющего напряжения.

В табл. 6.3 приведены результаты расчета по (6.19) наводи-
мого напряжения в начале (точка А) и в конце (точка В)
линии-приемника для различных сочетаний нагрузок при условии
возбуждения линии-индуктора напряжением единичной ампли-
туды с линейно нарастающим фронтом длительностью тф.
В качестве параметров при определении амплитуды и дли-
тельности наводимого напряжения используют Р=КЛК2 + 1) /2;

8)

Рис. 6.18. Схема определения коэффици-
ентов Р и Q при расчете наводок в по-
лосковых линиях связи

Q = (К,(Х,- !)/»](//тф); Г=
— h/LqCq.

Анализируя форму и
амплитуду наводимых им-
пульсов, отметим, что только
при полном согласовании
обеих линий (случай 7)
импульс U2 имеет минималь-
ные амплитуду и длитель-
ность. Рассогласование ли-
нии-приемника на одном
из ее концов приводит к
увеличению амплитуды и
длительности наводимой
помехи.

Для наиболее часто встре-
чающихся в технике ЭВМ
полосковых линий в качест-
ве цепей связи (рис. 6.18, а)
параметры Р и Q можно
определить, пользуясь гра-
фиками соответственно на
рис. 6.18, б, в (для е, =5).
В том случае, когда для
связанных линий сохраняет-
ся соотношение C^/Co8”
=M/Lq, параметр Q обра-
щается в нуль. Форма на-
веденных импульсов при
этом изменяется, амплитуда
наводок уменьшается.
Пример. Определить параметры наведенного напряжения в линиях связи,
представленных на рис. 6.18, а. При Л = 0,65 мм, </ = 0,3 мм, / = 40 см
= 5: тогда z0 — 85 Ом, Т= 2,4 нс.

По графикам на рис. 6.18, б, в определяем Р=0,3; Q= 0,34 (при
тф = 1,0 нс). Если в линии-индукторе наводится импульс напряжения ампли-
тудой 5 В, то в линии-приемнике (в случае полного согласования) наво-
дятся импульсы: в начале линии — амплитудой 0,75 В и длительностью
5,8 нс; в конце линии — амплитудой 0,54 В и длительностью 1 нс.

Методы разводки «длинных» линий связи. В быстродейству-
ющих системах, в которых задержка определяется только задер-
жками в цепях связей, основную проблему может составить
способ разводки линий между отдельными ИС. В настоящее
время существует три способа разводки: радиальный, с про-
межуточными отводами, комбинированный.

При радиальном способе разводки, когда каждую ИС-нагрузку
подключают к ИС-источнику сигнала индивидуальной связью,
все входы должны быть согласованы с волновым сопротивле-
нием линии связи. Кроме того,. ИС-источник сигнала — должна
иметь выходное сопротивление, равное z0 / п, где п — число
нагруженных на нее ИС (или нагрузочная способность ИС).
При большом п потребуется ИС-источник сигнала с недостижимо
малым выходным сопротивлением. Другой недостаток радиаль-
ного способа —необходимость наличия отдельной линии связи
для каждой нагрузки. Поэтому радиальный метод рекомендуют
только для п = 1.

При способе разводки с промежуточными отводами, когда
ИС-нагрузки подключают к связи-магистрали и далее к ИС-источ-
нику сигнала через короткие проводники, нагрузочные ИС
должны иметь высокие входные сопротивления, иначе они
будут перегружать линии связи.

Комбинированный способ обеспечивает согласование в лю-
бой точке линии связи путем разводки сигналов на нагрузки,
размещенные по разным направлениям. При этом число
проводников меньше, чем при радиальном способе, а вы-
ходное сопротивление источника сигналов допускается
сравнительно высоким. Если на линии связи находятся все-
го две нагрузки, то ИС-источник сигнала можно пометить
в любой точке вдоль нее.

§ 6.5

НАВОДКИ ПО ЦЕПЯМ ПИТАНИЯ И МЕТОДЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ

Электрическое объединение логических и других элементов
ЭВМ осуществляют связями двух видов: сигнальными и
Цепями питания. По сигнальным связям информация пере-
дается в виде импульсов напряжения и тока. Шины питания
служат для подведения энергии к элементам от низко-
вольтных источников постоянного напряжения. При исполь-
зовании одного источника напряжения питание к элементам
подводится с помощью
двух проводников: пря-
мого и обратного. Часто
на элементы необходи-
мо подавать напряжение
от нескольких источни-
ков с разными номина-
лами. В этом случае
для уменьшения коли-
чества шин питания
обратные проводники
объединяют В одну ШИ-

Рис. 6.19. Схема расчета допустимой величины которую соединяют
сопротивления шины питания	С корпусом машины И

называют шиной «земля».

В статическом состоянии по цепям питания протекают

стационарные точки, вызывающие падение напряжения на
элементах. Необходимо, чтобы это падение напряжения
составляло малую часть от номинала источника напряжения.

Если задаться значением максимально допустимой помехи,
возникающей ‘при потреблении элементами энергии в стати-
ческом состоянии, то можно установить требования к допу-
стимому значению сопротивления питания, а отсюда и к
их геометрии. Поясним это на примере цепочки элементов,
последовательно подключенных к шине «земля» так, как
это условно показано на рис. 6.19.

В наихудшем «режиме» с точки зрения помехозащищен-
ности по шине питания («земля») находится я-й элемент
(рис. 6.19, а), поскольку его реальная статическая помехо-
защищенность уменьшена по сравнению с номинальной на
значение падения напряжения на шине «земля» относи-
тельно точки ее подсоединения к источнику питания £4ОМ,СТ.

Величину 6/пом.ст можно оценить, пользуясь эквивалентной
схемой, приведенной на рис. 6.19, б. Обозначая через
△2?ш сопротивление участка шины питания между двумя
расположенными рядом элементами, а через —ток потребле-
ния одним элементом, получим

б^ПОМ.СТ - “Г	1 )Л< “Г •'•Ч-

+ Д^шЛ —	... 4-(л— 1)4- л] = А/?ш/пп(п4-0/2.

Если [6/пом.ст ] — максимально допустимое значение статиче-
ской помехи, то допустимое значение сопротивления шины
питания будет определяться из (6.20):

Д/?ш.дОп < 2[Ц,оч ст ]/[/Пп(п 4- 1)].

При работе блоков и устройств ЭВМ, когда происходит
выключение одних элементов и включение других, возника-
ет процесс перераспределения токов. Ток потребления по
шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным
падениям напряжения и паразитным наводкам. Если взять
шину питания большого устройства (например, стойки), то
изменение тока в ней вследствие переключения элементов
незначительно, так как для этой шины в любой момент
времени число включенных элементов можно считать одина-
ковым. Иное происходит в шинах питания, подводящих
энергию к более мелким устройствам (регистрам, счетчикам,
блокам формирователей и т. д.). В этом случае переключе-
ние элементов (например, сброс в «О» регистра или запуск
блока формирователей) приводит к значительному измене-
нию тока потребления от источника напряжения.

Так как шины питания имеют паразитную емкостную и
индуктивную связь с сигнальными шинами, то в зависи-
мости от значения этой связи и перепада напряжения и тока
при переключении элементов на сигнальных связях наводятся
сравнительно большие помехи. При определенных условиях
эти помехи могут вызвать ложное срабатывание схем.
Кроме того, изменение тока в шине питания приводит
к возникновению в ней переходного процесса. Последнее
обусловлено тем, что шина питания, как и любая сигналь-
ная связь, обладает емкостью, индуктивностью, волновым
сопротивлением и различной степенью согласования на
концах. Переходный процесс в шине питания приводит
к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что
изменяет, с одной стороны, режим его работы, а с дру-
гой — параметры выходного сигнала.

Задавшись допустимым значением импульсного сигнала
помехи на входе элемента из-за помех по цепям питания
[£/Пом.динК можно определить максимально допустимое значение
индуктивности шины питания, а отсюда —требования к ее
геометрии:

АА,и< [УПОМ.ДИН]тф/[Д/„(и— 1)п|,
где тф —фронт импульсов переключения.

Для уменьшения наводок, связанных с падением напря-
жения на шинах питания и «земля». и переходными про-
цессами в них, используют различные методы. Рассмотрим
некоторые из них.

Применение индивидуальных сглаживающих конденсаторов
(ИСК). ИСК устанавливают между шинами питания и
«земля» непосредственно возле точек присоединения элект-
ронной схемы к этим шинам. Будучи заряженным до зна-
чения источника напряжения, ИСК является как бы индиви-
дуальным источником питания схемы, максимально прибли-
женным к ней физически.
В микроэлектронной аппаратуре используются два вида
ИСК, устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы
и устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной
ячейки, модуля, ТЭЗ.

Первый тип ИСК предназначен в основном для «сглажи-
вания» импульсных помех в момент переключения микро-
схемы за счет локализации цепи протекания бросков тока
в цепи микросхема-*-ИСК. В качестве таких ИСК исполь-
зуют обычно обладающие малой собственной индуктивностью
керамические конденсаторы, например К10-9. Емкость Сиск
ИСК выбирают, исходя из условия равенства заряда, накапли-
ваемого конденсатором за время переключения микросхемы,
заряду, переносимому выбросом тока за время переключе-
ния элемента. При этом изменение напряжения на конден-
саторе не должно превышать некоторого наперед заданного
значения, равного допустимой помехе по шине питания.
Отсюда

Д/пТф	.	.

Сиск^ 2[Ц„„] ’	"

где Д/п —максимальное значение переменной составляющей
тока потребления; /к —выходной ток короткого замыкания
микросхемы; к— коэффициент, значение которого зависит
от типа схемы (например, для ТТЛ-схем £=0,33); Um- допу-
стимая импульсная помеха на шине питания.

Второй тип ИСК, устанавливаемый на группу микросхем,
предназначен для компенсации бросков тока в системе
электропитания. Это обычно электролитические конденсаторы
большой емкости, обеспечивающие исключение резонансных
явлений в цепях питания. Выбор емкости ИСК этого типа
проводят, используя выражение

Сгр 4ГПИТ//?ПИТ.

где Тпит, Rпит —индуктивность и сопротивление шин питания.

Уменьшение общих участков протекания токов элементов
по шинам питания. Этот метод заключается в установке
дополнительных перемычек в шинах питания и «земля»,
которые уменьшают длину общих участков протекания токов
элементов. На рис. 6.20 представлены три варианта соеди-
нения элементов шиной питания и «земля». В первом
варианте (рис. 6.20, а) переключение элемента, например Э12
(изменение тока потребления схемы), приводит к возникно-
вению паразитной наводки в остальных одиннадцати элемен-
тах по шине питания и «земля». Во втором варианте
(рис. 6.20, б) эта помеха в худшем случае воздействует
только на четыре элемента, а в третьем варианте (рис. 6.20, в)
помеха еще более уменьшается за счет введения дополни-
тельных перемычек (распараллеливания).
Использование металличе-
ского листа в качестве
«земли». Этот метод приме-
ним для элементов второго
уровня конструктивной
иерархии ЭВМ (субблоков,
блоков, панелей) и заклю-
чается в установке в эти
конструктивные элементы
сравнительно толстого ме-
таллического листа, к ко-
торому припаивают обрат-
ные провода от всех за-
крепленных ячеек или мо-
дулей.

Использование сплошных
металлических прокладок
в качестве шин питания.
Этот метод применим в
случае использования мно-
гослойных печатных плат
для устройств сверхбыстро-
действующих ЭВМ. В таких
платах отдельные слои
изготовляют с максималь-
но большой площадью
металла и применяют их в
качестве шин питания (эти
слои следует размещать
внутри многослойной пла-
ты). При использовании
сплошных металлических
слоев значительно умень-
шаются собственное индук-
тивное сопротивление шин
питания, общие участки
протекания токов различ-

ных элементов и увеличивается взаимная емкость между

шинами питания.

§ 6.6
ПРИМЕНЕНИЕ ЭКРАНОВ В ЭВМ

При прохождении мощных сигналов по цепям связи
последние становятся источниками электромагнитных полей,
которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в
них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных
помех могут быть также мощные промышленные установки
транспортные коммуникации, двигатели и т. д. Устройства’
чувствительные к статическим магнитным полям (например’
магнитные элементы с разомкнутым магнитопроводом), могут
неустойчиво работать даже от таких слабых полей, как
магнитное поле Земли. Для того чтобы локализовать, где
это возможно, действие источника полей или сам приемник
помех, используют экраны. По принципу действия различают
электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное
экранирования.

Электростатическое экранирование. Этот вид экранирования
заключается в шунтировании большей части (или всей)
паразитной емкости емкостью на корпус (рис. 6.21). Пусть

Рис. 6.21. Схемы электростатического экранирования

емкостная помеха наводится через паразитную емкость САВ
меж цу проводниками А (источник наводки) и В (приемник
наводки). Если корпус удален на такое расстояние, что
емкостью между ним и проводниками можно пренебречь
(рис. 6.21, а), то амплитуда помехи будет равна

U„m=RCAeU/^.	(6.21)

В том случае, когда экран, соединенный с корпусом,
располагают вблизи проводников (рис. 6.21, б), шунтирующая
емкость CSo уменьшает амплитуду помехи, т. е.

=[R(Cab)2/(Cab + Св0)]([7/Тф).

Если САВ < Сво , то

и„оч —(RCabCab/Cbo)(U/т,|,),

т. е. меньше UnoM (6.21) в САВ/СВ0 раз.

Если же экран расположить между проводниками так,
как показано на рис. 6.21, в, то помеха еще более умень-
шится за счет уменьшения самой паразитной емкости САВ
до величины САВ ;

Unov ={RC'abCab/[Cab + (Сз 4- Сво)]К6//тф).

На основании изложенного можно считать, что экранирую-
щий эффект заземленного металлического листа заключается
в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости,
имеющейся между источником и приемником наводок.
В качестве металлического листа, соединенного с корпусом
ЭВМ, служат детали шасси, каркасов; обшивки стоек, пане-
лей, субблоков, кассет, специальные листовые металлические
прокладки на монтажной стороне плат, блоков, субблоков;
экранные сплошные металлические слои в многослойных
печатных платах и т. д.

С целью улучшения экранировки особо чувствительных
к помехам цепей (например, для передачи синхроимпульсов)
на обеих сторонах печатных плат сигнальные и заземлен-
ные экранные проводники чередуют таким образом, чтобы
против сигнальной линии, проходящей с одной стороны
платы, всегда располагалась заземленная линия с другой
стороны платы. При этом каждая сигнальная линия оказы-
вается окруженной тремя заземленными линиями, в резуль-
тате чего достигается не только эффективная экранировка
сигнальной линии от внешних помех, но и для полезного
сигнала обеспечивается подобная волноводу цепь от источ-
ника до нагрузки.

Магнитостатическое экранирование. Магнитостатические
экраны используют для защиты чувствительных цепей,
элементов и устройств от постоянного и медленно изменяю-
щегося переменного магнитного поля. В этом случае
источник или приемник наводки заключают в сплошной экран,
изготовленный из ферромагнитных материалов. Если в такой
экран заключен источник наводки, то магнитные силовые
линии замыкаются в нем и далее не распространяются.
Если в экран заключен приемник наводки, то силовые
линии магнитного поля _не проникают в полость
экрана.

Качество экранирования постоянных или медленно изме-
няющихся магнитных полей зависит от магнитной проницае-
мости экрана и сопротивления магнитопровода, которое
будет тем меньше, чем толще экран и чем меньше в нем
стыков и швов, идущих поперек направления линий магнит-
ной индукции.

Эффективность экрана в диапазоне частот внешних
магнитных полей 0—1 кГц

Эм = 1 + цДКр/О,	(6.22)

где 6экр— толщина стенок экрана; D — диаметр эквивалентного
сферического экрана, близкий к длине стенки кубического
экрана.-В технике проводной связи эту величину оценивают
в неперах: 5=1п Э = 0,115 Нп, а в радиотехнике— в деци-
белах: А = 20 1g Э = 8,7 дБ.
Пример. Определить эффективность подавления наводки на частотах
0—1 кГц экраном кубической формы с длиной ребра D — 100 мм; мате-
риал экрана —сталь толщиной 8экр —0,8 мм, — 100.

После подстановки в (6.22) получим: 3 — 1 + 100-0,8/100 — 1,8 или
В - In 1,8 - 0,59 Нп; А - 20 1g 1,8 - 5,1 дБ.

Увеличением толщины стального экрана нельзя добиться значитель-
ного повышения его эффективности.

Так, при s3Kp —2 мм Э становится равным 3, В — 1,1 Нп и
+ —9,6 дБ, т. е. значение Э возрастает лишь на 4,5 дБ. Если же взять
пермаллой (иг—5000) той же толщины 0,8 мм, то Э —41, В —3,7 Нп;
А -32 дБ.

Электромагнитное экранирование. Переменное высоко-
частотное электромагнитное поле при прохождении через
металлический лист либо перпендикулярно, либо под
некоторым углом к его плоскости наводит в этом листе
вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего
поля. Металлический лист в данном случае является электро-
магнитным экраном. Примером электромагнитного экрана слу-
жит обшивка стоек вычислительных устройств.

Выражения для расчета эффективности электромагнитного
экранирования различны для различных диапазонов частот
внешних полей.

Для частот, когда толщина экрана 6экр меньше экви-
валентной глубины проникновения вихревых токов
6 =-/2/(оз.ц а), где ц = р.о ц г, ц0 = 1,256 • 10-8 Гем-1—маг-
нитная постоянная; о—проводимость, См • см3; w=2nv —
угловая частота; v - частота, Гц, эффективность экранирования

шцаО6,кр \2

2m /

(6.23)

где w — коэффициент формы экрана (для прямоугольного
экрана т=1, для цилиндрического т = 2 и для сферического
т = 3).

В случае 6экр>6 эффективность экранирования

Э = еб..Р/б /।	°	\	(6.24)

\ 2 ' 2,8тц6 /

Для сверхвысоких частот

э =

р^ЭКр/б-у

ч, г <0 ВОЗД

4.7
мет

(6.25)

где г0возд =377 Ом —характеристическое сопротивление ваку-
ума; гОмет —модуль характеристического сопротивления
металла.

Входящее в выражение (6.25) отношение 4z0MeT/г0возя яв-
ляется приближенным значением произведения коэффициен-
тов преломления на границах двух сред; воздух — металл
и металл — воздух.

Значения эквивалентной глубины проникновения (ЭГП)
для некоторых металлов на разных частотах приведены
в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Частота v, Гц	Эквивалентная глубина проникновения					
	меди	латуни	алюминия	стали		пермаллоя
				Иг =50	цг =100	
102	6,7000	12,4000	8,8000			1,540	0,380
103	2,1000	3,9000	2,7500	—	0,490	0,120
104	0,6700	1,2400	0,8800	—	0,154	0,038
105	0,2100	0,3900	0,2750	—	0,049	0,012
106	0,0670	0,1240	0,0880	0,0230	—	—
107	0,0210	0,0390	0,0275	0,0070	—	—
108	0,0067	0,0124	0,0088	0,0023	—	—

Пример. Определить экранирующее действие вихревых токов на часто-
тах 0,1 и 1 кГц, возникающих в цилиндрическом медном экране ( бэкр=0,8 мм,
D = 80 мм).

По табл. 6.4 находим 6 o,i = 6,7 мм; б1=2,1 мм. Для обеих частот
8 экр< б и следует воспользоваться выражением (6.23). После подстановки
получим

для частоты 0,1 кГц

Э = 1,23; В = 0,21 Нп; А =1,8 дБ;

для частоты 1 кГц

Э - 7,27; В = 2,0 Нп; А = 17,4 дБ.

Пример. Определить эффективность медного цилиндрического экрана
(8Экр= 0,8 мм, 0 = 80 мм) на частоте 0,1 МГц. По табл. 6.4 находим
ЭГП 8=0,21 мм. Так как 8экр>8, воспользуемся формулой (6.24). После
подстановки получим: Э = 3063, В = 8 Нп; А = 69,7 дБ.

Пример. Определить, какой толщины должен быть алюминиевый экран,
чтобы получить Э>100 дБ на частоте 1 МГц: Bmin = 0,115 • 100 = 11,5 Нп.
Из таблицы 6.4 находим 6 = 0,088; бэкр=Вт;п6= 11,5 • 0,088= 1 мм.

Пример. Определить эффективность экрана из алюминиевой фольги
толщиной 8ЭКр=0,1 мм на частоте 10 МГц.

Для решения воспользуемся выражением (6.25). Из табл. 6.4 получим:
6 = 0,0275 мм, 5экр/8 = 3,6, z0MeT= 1,55-10-з Ом; Э = 2,27-106; 5=147 Нп;
А -127 дБ.

Широкое распространение в технике ЭВМ нашли экраниро-
ванные провода, коаксиальные кабели и «свитые» пары про-
водников или бифиляры. Мерой эффективности использования
бифиляра в качестве связи между элементами по сравнению
с одиночным проводом в данном случае будет кратность
уменьшения индуктивности.

Пример. Пусть связь между элементами осуществляется проводом диа-
метром </ = 0,5 мм, толщиной изоляции а = 0,5 мм и длиной /=50 см.

Для изолированного проводника индуктивность
7.	= 2/1п(4//<?)—1 =730 нГн.

Считая бифиляр двупроводной линией с расстоянием между проводни-
ками D = d+ 2а, найдем

Л6 = 2/1п2(<У4-2а)/<У= 180 нГн.

Таким образом, применение бифиляра вызывает уменьшение индуктив-
ности, а следовательно, и наводок в £/Гб = 730/180 = 4 раза.

Задания для самопроверки

1.	Назовите основные источники помех в ЭВМ.

2.	Какими параметрами характеризуются электрические «длинные» линии
связи?

3.	Как влияют собственная емкость и индуктивность «короткой» линии
связи на процесс передачи сигналов?

4.	Что следует изменить в конструкции печатных проводников, чтобы
уменьшить помехи, возникающие из-за паразитной связи между «короткими»
линиями?

5.	Что такое коэффициент отражения по напряжению и как он связы-
вает волновое сопротивление линии с сопротивлением нагрузки?

6.	Рассчитайте переходный процесс в «длинной» линии связи с волно-
вым  сопротивлением 750 м, нагруженной на ZH = 100 Ом и Zr =500 Ом.

7.	В чем суть графического метода расчета переходного процесса в
длинной линии связи? Рассчитайте графическим методом задачи по п. 6.

8.	Какими параметрами линии связи определяется задержка сигналов?

9.	Из каких составляющих состоит паразитная помеха, возникающая при
прохождении высокочастотного сигнала в соседней «длинной» линии связи?

10.	Какие методы разводки линий связи используются в технике ЭВМ?
Укажите их достоинства и недостатки.

11.	Назовите причины возникновения помех по цепям питания.

12.	Расскажите о методах борьбы с помехами по питанию. Укажите
их достоинства и недостатки.

13.	От каких видов помех освобождаются с помощью экранов?
ГЛАВА 7	•	...

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ И СИСТЕМ
ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Один из основных параметров ЭВМ — надежность — зависит как от на-
дежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехни-
ческих и конструкторских решений. Учитывая значимость современной' ЭВМ
в хозяйственной деятельности человека, требования к ее надежности по-
стоянно повышают. Это связано с тем, что от правильной работы ЭВМ
зависят ход выполнения технологического процесса, достоверность получе-
ния результатов расчетов, жизнеобеспечение космического аппарата и т. д.
Поэтому вопросам повышения надежности ЭВМ на всех этапах ее проекти-
рования и производства уделяется самое большое внимание.

§	7.1

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАДЕЖНОСТИ

$ Надежность ЭВМ — свойство выполнять заданные функции,
сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах
в течение требуемого промежутка времени, и возможность
возобновления функционирования, утраченного по тем или
иным причинам.

В любой момент времени ЭВМ может находиться в ис-
правном или неисправном состоянии. Если ЭВМ в данный
момент времени удовлетворяет всем требованиям, установлен-
ным как в отношении основных параметров, характеризующих
нормальное выполнение вычислительных процессов (точность,
быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных
параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплу-
атации, то такое состояние называют исправным состоянием.
В соответствии с этим определением неисправное состояние—
состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени
не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, уста-
новленных в отношении как основных, так и второстепенных
параметров.

Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению
ЭВМ заданных функций в отношений основных параметров.
Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе
машины, выход из строя лампочек подсветки не могут пре-
пятствовать эксплуатации ЭВМ. Поэтому для оценки надеж-
ности систем введены понятия «работоспособность» и «отказ».
Работоспособность — состояние ЭВМ, при котором она в данный
момент времени соответствует всем требованиям в отношении
основных параметров, характеризующих нормальное протекание
вычислительных процессов. Отказ — событие, состоящее в пол-
ной или частичной утрате работоспособности системы. Так
как не всякая неисправность приводит к отказу, то на практике
различают неисправности основные и второстепенные. Основ-
ные неисправности приводят к отказу. Второстепенные неис-
правности не приводят к отказу, однако создают неудобства
в эксплуатации и портят внешний вид ЭВМ. Поэтому второ-
степенные неисправности целесообразно своевременно устранять.

Возникновение отказа во времени — случайное событие, что
позволяет для оценки надежности ЭВМ использовать методы
теории вероятности и математической шатистики.

Чтобы определить влияние на характеристики ЭВМ отказов
различного вида, целесообразно произвести их классификацию.

По характеру изменения параметров до момен-
та возникновения отказы делят на внезапные и постепен-
ные. Внезапные (катастрофические) отказы возникают в резуль-
тате мгновенного изменения одного или нескольких парамет-
ров элементов, из которых построена ЭВМ (обрыв или корот-
кое замыкание). Устранение внезапного отказа производят
заменой отказавшего элемента (блока, устройства) исправным
или его ремонтом. Постепенные отказы возникают в резуль-
тате постепенного изменения параметров элементов до тех
пор, пока значение одного из параметров не выйдет за не-
которые пределы, определяющие нормальную работу элемен-
тов (старение элементов, воздействие окружающей среды,
колебания температуры, влажности, давления, уровня радиации
и т. п.), механические воздействия (вибрации, удары, пере-
грузки). Устранение постепенного отказа связано либо с за-
меной, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего эле-
мента, либо с компенсацией за счет изменения параметров
других элементов.

По характеру устранения отказы делят на устой-
чивые и самоустраняющиеся. Для устранения устойчивых от-
казов оператор, обслуживающий ЭВМ, должен отрегулировать
или заменить отказавший элемент. Самоустраняющиеся отказы
исчезают без вмешательства оператора и проявляются в форме
сбоя или перемежающего отказа. Сбой — однократно возникаю-
щий самоустраняющийся отказ. Если несколько сбоев следуют
друг за другом, то имеет место перемежающийся отказ. Отказ
типа сбоя особенно характерен для ЭВМ. Появление сбоев
обусловливается внешними и внутренними факторами. К внеш-
ним факторам относятся колебания напряжения питания, виб-
рации, температурные колебания. Специальными мерами (ста-
билизации питания, амортизация, термостатирование и др.)
влияние этих факторов может быть значительно ослаблено.
К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания
параметров элементов, несинхронность работы отдельных
устройств, внутренние шумы и наводки.
Если в ЭВМ возникает сразу несколько отказов, то по их
взаимной связи различают независимые отказы (возникновение
их не связано с предшествующими отказами) и зависимые
(появление их вызвано отказом в предыдущий момент вре-
мени).

По внешним проявлениям отказы делят на явные
и неявные. Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре,
а неявные отказы — специальными методами контроля.

Введенное выше понятие «отказ» позволяет рассмотреть
основные эксплуатационные свойства ЭВМ: безотказность, ре-
монтоспособность, долговечность, сохраняемость. Безотказ-
ность — свойство ЭВМ непрерывно сохранять работоспособность
в заданных режимах и условиях эксплуатации без вынужден-
ных простоев. Это свойство характеризует функционирование
системы до первого отказа и используется при оценке на-
дежности ЭВМ одноразового применения. Ремонтоспособность —
свойство ЭВМ, заключающееся в приспособлении к преду-
преждению, обнаружению и устранению отказов и неисправ-
ностей путем проведения технического обслуживания и ре-
монтов. Долговечность — свойство ЭВМ сохранять работоспособ-
ность до предельного состояния с необходимыми перерывами
для технического обслуживания и ремонтов. Необходимо от-
метить, что предельное состояние определяется технической
непригодностью ЭВМ из-за снижения эффективности или тре-
бований техники безопасности и оговаривается в технической
документации. Сохраняемость — свойство изделия сохранять
эксплуатационные показатели в течение заданного срока хра-
нения и после него. Это свойство характеризует безопасность
ЭВМ в режиме хранения.

Надежность как сочетание свойств безотказности, ремонто-
способности, долговечности и сохраняемости и сами эти ка-
чества количественно характеризуются различными функциями
и числовыми параметрами. Правильный выбор количествен-
ных показателей надежности ЭВМ позволяет объективно срав-
нивать технические характеристики различных вычислительных
систем как на этапе проектирования, так и на этапе эксплу-
атации (правильный выбор системы элементов, технические
обоснования работы по эксплуатации и ремонту ЭВМ, объем
необходимого запасного имущества и др.).

При определении надежности ЭВМ необходимо знать:
а) процесс возникновения отказов устройств ЭВМ; б) конфи-
гурацию системы, которая описывает характер соединения
устройств и правила их работы; в) порядок обслуживания и
ремонт устройств ЭВМ.

Процесс возникновения отказов в ЭВМ обычно описывается
сложными вероятностными законами. Поэтому в инженерной
практике для оценки надежности ЭВМ вводят количественные
характеристики, для определения которых обычно используют
экспериментальные данные и последующую их обработку.

Выбор количественных характеристик надежности зависит
от вида ЭВМ (восстанавливаемые и невосстанавливаемые ЭВМ).

Невосстанавливаемые ЭВМ— ЭВМ, которые в процессе выпол-
нения своих функций не допускают ремонта. Если происходит
отказ какого-либо устройства, то выполняемая операция будет
сорвана и ее необходимо начинать вновь в том случае, если
возможно устранение отказа. К таким устройствам относят как
устройства одноразового действия, так и устройства много-
кратного действия (системы ПВО, системы управления воздуш-
ным движением, системы управления химическими, металлур-
гическими и другими ответственными технологическими про-
цессами).

Восстанавливаемыми ЭВМ называют ЭВМ, которые в про-
цессе выполнения своих функций допускают ремонт. Если
произойдет отказ такой ЭВМ, то он вызовет прекращение
функционирования изделия только на период устранения отказа.

Показатели надежности невосстанавливаемых ЭВМ —плот-
ность распределения времени безотказной работы f(t), вероят-
ность безотказной работы P(t), вероятность отказа Q(t), ин-
тенсивность отказов X(t), средняя наработка до первого отказа
Тср.

Наиболее точная количественная мера надежности каждого
изделия —его индивидуальная наработка до момента возник-
новения отказа. На практике же достаточно полная характе-
ристика надежности — плотность распределения времени безот-
казной работы данного типа изделий f(t) и интенсивность
отказов /(t). Для определения функций f(t) и k(t) используют
экспериментальные данные по испытанию изделий на надеж-
ность. При этом опыт ставится следующим образом: испы-
танию подвергают большую партию изделий No, время на-
блюдения разбивают на п небольших отрезков А/, на каж-
дом из этих отрезков определяют число отказавших изделий
ZsJVj. Отказавшие изделия либо не заменяют новыми (при
определении f(t) и l(t) невосстанавливаемых элементов), либо
заменяют новыми (для восстанавливаемых элементов). По по-
лученным результатам значение вероятности безотказной работы
изделия в момент времени t, характеризующее его надежность,
может быть определено из следующих соображений.

Если в рассматриваемый момент времени t = tx имеется Nx
работающих изделий, a mx = No~Nx вышли из строя, то опыт-
ная статистическая вероятность безотказной работы P* = Nx/Nq,
а опытная статистическая вероятность отказов Q* = (No -Nx) /No =
= mx/N0, где P* и Q* характеризуют частоту отказов в данном
опыте и являются оценками соответствующих «математических»
вероятностей, которые определяются как пределы:
lim -тг~=Р\
оо No

lim

1V 0 —* ОО

N0-Nx
No

lim ^-=Q, P = l —Q.

;VO->0O /VO

«Математические» вероятности характеризуют не отдельную
выборку, а всю генеральную совокупность изделий.

Определим зависимость Р* от времени, для чего рассмотрим
приращение &тх на ограниченном отрезке времени △£ Число
элементов &тх, которое выйдет из строя за ограниченный
промежуток времени △/, будет пропорционально отрезку вре-
мени и числу имеющихся в работе изделий Nx, т. е.

=KiNx^t, где Ai—коэффициент пропорциональности, при-
нимаемый постоянным на ограниченном отрезке времени.

Переходя к бесконечно малым приращениям dmx и учиты-
вая dmx=-dNx, получим dmx= -dNx = \,Nxdt; dNx/Nx = -\dt.
Интегрируя последнее выражение и имея в виду, что при
tx

t=0 Nx=Nq найдем, In N = -( A,dt или, если освободиться
' о

от логарифмов, P* = Nx/N0=Qi

Значение А, ,равное

_ dNx  d(mx/mo) 1   dQ* 1	dP* 1
Nxdt ~ dt Nx/No	dT ~P*=	dT ~P*'

называют интенсивностью (опасностью) отказов. Таким
образом, интенсивность отказов в момент времени t пред-
ставляет собой вероятность отказов в единицу времени при
условии, что до момента времени t отказов не было.

Зависимость интенсивности отказов от времени может
быть определена экспериментально (рис. 7.1). Анализируя
полученную кривую 7, снятую, допустим, при испытаниях
в нормальных условиях, можно отметить три временных
интервала: 1) от 0 до 7,—время приработки (1—1,5%) всего
времени испытаний, 2) от 7, до t2 — время нормальной
работы, 3) от t2 до — время старения. Время приработки

характеризуется повышенным
проявлением технологичес-
ких и производственных де-
фектов, время нормальной ра-
боты — высокой надежностью
испытуемых изделий (интен-
сивность отказов на этом ин-
тервале практически посто-
янна).

При ослаблении (кривая 2)
или ужесточении (кривая 3)
условий испытаний зависи-
мость /.(t) изменится, но
три характерных временных
интервала сохранятся.

Рис. 7.1. График зависимости интенсив-
ности отказов от времени
Полученные ранее зависимости вероятности безотказной
работы P(t) от интенсивности отказов Z(z) называют экспо-
ненциальным законом изменения P(t), т. ё. P(t) = Q-TK(,)d‘ или
/Y/>==e“Zf, если Л = const. Этот закон имеет место в случае
учета внезапных отказов.

Известны и другие законы изменения P(t): 1) нормальный
закон, или распределение Гаусса (для постепенных отказов),

P(t)

ОО

—	1 Се-О-ГсрУДЗа2)^,

/2л о о

где о—дисперсия среднего времени безотказной работы;
Гер—среднее время безотказной работы; 2) закон Вейбулла
(при определении надежности электромеханических элемен-
тов) P(t) = Q-,k/Tw; 3) закон Эрланга (при определении надеж-
ности восстанавливаемых изделий) P(t) = (1 + 2t/Tcp)e~i,/TcP.

Один из важнейших числовых параметров надежности—сред-
нее время безотказной работы, который определяется как мате-
матическое ожидание случайной величины, т. е. Тср = Мт =
= Т где q(t)~плотность вероятности отказа. Преобразу-
ем этот интеграл к следующему виду, решив его по

частям:

или

7'ср= $ tq{J.)dt=-tP(t)\™ + $ P(t}dt
О	О

Tcp=
П _________________

В общем случае интенсивность отказов зависит как
от времени t, так и от параметров, характеризующих режим
работы (U, I, W) и условия эксплуатации аппаратуры
(0, z%, а, ...), т. е. К, = ср (t, U, I, 0,..., а).

Исходя из анализа физических и физико-химических про-
цессов, являющихся причинами возникновения отказов, опреде-
лим зависимость Z, от режимов работы.

Число отказов при прерывистом режиме работы элементов
зависит как от времени их действительной работы tp, так и
от числа циклов работы N, т. е. тх = y(tpN). Бесконечно малое
приращение числа отказов определим как полный дифференциал:
dmx = dtp + ^_dN. Так как mx = No-Nx и, следовательно,
dtp и dN	’

dmx = - dNx, то после деления обеих частей на Nx имеем

=-RLHl-Lffrp +	Обозначая = и _1_ =

Nx Ld/P Nx dN Nx J	dtp Nx 1 dN Nx

= xN и учитывая, что при t = 0 N = Q и NX=NO, получим

Г~	'Y	“I

1п(Ух/М>)=- ^,dtP+ }KNdN .

L- 0	0
Освободившись от логарифмов, имеем

Л/ д

Pf«Wx/Wo = e 0	0

Если примем, что Л, = const и Лд, = const, то

pf ~ е_|’-','+’-Л'Л'1 = е_1’1,'’/тил'+Хл'у/'1' — e_[,''н/,,,' ' '	,

здесь / = ^ц -время, прошедшее с начала работы изделия;
тц = /„ +/п-время цикла [/и и/п—время использования (работы)
изделия и время паузы], f=N/1- частота циклов.

Так как во время пауз имеют место отказы, то вероят-
ность безотказной работы во время пауз можно определить
как	(р) — xp0(i—ip/i)i — g—xp0/niAu

где Л/>о—интенсивность отказов.

Вероятность отсутствия отказов за время t при прерывистой
работе

Р* _ p^pi-e-[Xpl./Tu + Хр01./Тц + Xyf]l _ е-Х,„;

где = (	/ тц -ЬЛ/>0 и. ) h/ff f.

Интенсивность отказов также существенно зависит от режима
использования элемента в конкретных функциональных блоках
машины, условий окружающей среды и в общем случае равна

X =	d[2^3^4^5-•

где Ло —значение интенсивности отказов, полученное в нор-
мальных условиях; ах, а2, а3, а4 - поправочные коэффициенты,
соответственно учитывающие зависимость интенсивности отка-
зов от значения электрической нагрузки; а5, а„ —поправочные
коэффициенты, учитывающие прочие факторы режима исполь-
зования и условий окружающей среды.

Значение интенсивности отказов Ло определяется при темпе-
ратуре окружающей среды 15—35°С, атмосферном давлении
(100 ±4) Па; относительной влажности (65 ±15)%; естественном
фоне радиации; коэффициенте электрической нагрузки Кн = 1.
Для случая, когда известны интенсивности отказов Л0( отдель-
ных элементов, составляющих конструкцию, интенсивность
отказов последней определяется по формуле Л = f , где
^oi —интенсивность отказов /-го элемента; п — количество эле-
ментов.

Рассмотренные критерии надежности позволяют достаточно
полно оценить надежность невосстанавливаемых устройств и
восстанавливаемых устройств до первого отказа.

Большинство современных ЭВМ относят к восстанав-
ливаемым изделиям, количество элементов которых остается
постоянным в течение всего срока службы, так как каждый
из отказавших элементов заменяют новым. Поэтому при опре-
делении показателей надежности ЭВМ можно рассматривать
как работающую непрерывно, но в которой время от времени
возникают отказы (время исправной работы до очередного
отказа и время восстановления случайны). На временной оси
чередование времени исправной работы и времени восстановле-
ния может быть представлено в виде отрезков, длина которых
случайна. Критерии надежности восстанавливаемых ЭВМ —
параметр потока отказов <a{t); наработка на отказ Т; параметр
потока восстановлений ц((); среднее время восстановления
Тв, коэффициент готовности Кг; коэффициент вынужденного
простоя Кп.

При оценке надежности восстанавливаемых ЭВМ можно ис-
пользовать или статистические характеристики случайного вре-
мени работы от момента восстановления предыдущего отказа
до последующего, или статистические характеристики числа
отказов за выбранное время наработки. Предположим, что для
определения показателей надежности аппаратуры наблюдают
за эксплуатацией N образцов ЭВМ в течение времени
фиксируя число mj(t) отказов каждого образца. Среднее число
отказов за время tN mcv(t) =^-S mt(t). В число пг((1) входят
как первоначальные отказы, так и отказы, возникающие после
восстановления или замены отказавших элементов. Появление
отказов в каждом из образцов аппаратуры можно рассматри-
вать как поток требований к обслуживанию, в данном случае
к восстановлению. Характеристику этого потока определяют

1 N

как //(Д^Нгп — S По значению функции H(t) вычисляют
параметр потока отказов. Уравнение для этих вычислений
имеет вид

u>(t)=dH(t)/dt.	(7.1)

На практике используют другое уравнение, позволяющее
определить приближенное значение параметра потока отказов:

“(0^ Tfid [ 2+ д0- Sm‘(о] -

где А (—достаточно малый промежуток времени.

Для ЭВМ характерен так называемый период приработки,
который заканчивается к моменту времени t0. В. этом случае
характеристика потока отказов становится линейной и уравне-
ние кривой H(t) может быть записано следующим образом:

Д(/)=//(/о) + ((-/о)<о,	(7.2)

где- (о — постоянная величина.

Используя (7.1), можно определить параметр потока отка-
зов:	= d\H(tQ) + (t - t0) w ] / dt - to = const.
В ЭВМ поток отказов равен сумме потоков отказов отдель-
ных устройств. Если каждый в отдельности поток оказывает
на суммарный поток достаточно равномерное и небольшое
влияние, то суммарный поток будет простейшим. Простейший
поток должен удовлетворять условиям стационарности, отсут-
ствию последействия и ординарности. Стационарность потока
означает, что вероятность появления ровно к отказов за про-
межуток времени 70 — (t0+t) не зависит от t0 и является
функцией переменных t и к.

Отсутствие последействия потока состоит в том, что вероят-
ность появления к отказов в течение промежутка времени
Го —(70 + t) не зависит от того, сколько было отказов и как
часто они возникали до этого промежутка времени. Ординар-
ность потока выражает условие практической невозможности
появления двух или нескольких отказов в один и тот же
момент времени.

Основной тип потока отказов в ЭВМ, работающей в ста-
бильных условиях эксплуатации, — простейший поток. Основной
показатель надежности восстанавливаемых изделий — наработка
на отказ Т, определяемая как среднее значение наработки
ЭВМ между отказами. В тех случаях, когда наработка на
отказ выражена в единицах времени, используется и другой
термин — среднее время безотказной работы. Для интервала
времени от наработки t} до наработки t2 точное уравнение
для вычисления наработки на отказ Т имеет вид

=	-//(/)]. |	(7-3)

где H(t) - характеристика потока отказов.

Для практических расчетов обычно используют приближен-
ное уравнение

/'«(/з—<,)/[тср(/2) —тср(/|)]_

Нетрудно убедиться, что по окончании периода приработки,
когда характеристика потока становится линейной, наработка
на отказ не зависит от выбора значений наработки t} и t2.
Представим, что 7, =70+Д/ и 72 = 7О+Д(2. Используя (7.2) и
(7.3), получим ______________________________

т=	(<o+AG) — (to + АЛ) H(to) -|-	— H(to) —A/jO)	. to

где (о —параметр потока отказов.

Предполагая независимость наработки на отказ от времени,
Можно получить соотношение для вычисления величины Т
по данным эксплуатации одной ЭВМ:	S где t( -

Наработка между соседними отказами; « — число отказов за
Наблюдаемый период эксплуатации.
Точность определения времени наработки на отказ по
приведенной выше формуле будет тем больше, чем больше
число зафиксированных отказов.	' „

Для повышения достоверности можно использовать данные
об отказах нескольких образцов аппаратуры, которые эксплуати-
руются в сходных условиях: Т= S S t,k / f пк, где tik — нара-
ботка между соседними отказами /с-го образца аппаратуры;
пк - число отказов /с-го образца аппаратуры; N— число наблюда-
емых образцов.

Для оценки надежности работы восстанавливаемой аппара-
туры такой показатель, как вероятность безотказной работы,
используют редко. Однако при оценке эффективности работы
сложных систем, куда входит ЭВМ, может возникнуть необ-
ходимость в вычислении вероятности безотказной работы за
период между наработками и t2. Уравнение для этого
случая имеет вид P(t2-	Если характеристика

потока отказов H(t) линейна, то эта формула упрощается, т. е.
P(t) = е~"" = е~'/г, где t = t2 —

Среднее время восстановления 7\0Сст —важный показатель
качества восстанавливаемой аппаратуры, являющийся случайной
величиной, статистические характеристики которой зависят от
приспособленности аппаратуры к восстановлению. Определя-
ется среднее время восстановления как среднее время вынуж-
денного нерегламентированного простоя, вызванного отыскива-
нием и устранением одного отказа. Этот показатель можно
рассчитывать по результатам эксплуатации ЭВМ в течение
1 т
большого интервала времени наблюдения: 7^0Сст= —Ей,
m ,
где т/ — время, затраченное на восстановление утраченных
свойств аппаратуры при /-м отказе; т — общее число восста-
новлений.

Если из последовательности операций сделать выборку
промежутков восстановлений, то моменты восстановлений обра-
зуют поток требований, аналогичных потоку отказов. Этот
поток называют потоком восстановлений. Его основная характе-
ристика — параметр потока \i(t). Иногда этот параметр назы-
вают интенсивностью восстановления, которая статистически
определяется как отношение числа восстановленной ЭВМ за
период наблюдения к суммарному времени восстановления:
ц* = л1/2Т(. Из соотношения следует, что интенсивность
восстановлений— величина, обратная среднему времени восста-
новления.

1 Сравнивая такие характеристики, как наработка на отказ
и среднее время восстановления, необходимо отметить, что
первая из этих характеристик является аппаратурной, т. е.
характеристикой, зависящей в основном от внутренних свойств
аппаратуры, а вторая — характеристикой системы человек — машина,
зависящей как от внутренних свойств ЭВМ, так и от квали-
фикации обслуживающего персонала. Эти показатели связаны
коэффициентом готовности КГ, определяемым отношением
времени исправной работы к сумме времени восстановления
и времени работы (при условии, что период приработки закон-
чился):	ттт

Кг= 2 Ц 2 t> + 2 т,) = т/(Т + тв).

Этот коэффициент позволяет найти вероятность исправного
состояния аппаратуры в любой момент времени.

Коэффициентом вынужденного простоя Кп называют отноше-
ние времени вынужденного простоя к сумме времени исправной
работы и вынужденных простоев ЭВМ, взятых за один и
тот же календарный срок: КП = tn/(tp + tn).

Коэффициент готовности и коэффициент вынужденного
простоя связаны между собой зависимостью Кп = 1 -Кг.

1	!

§ 7.2

СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ

/ Структурная надежность любого радиоэлектронного аппа-
рата, в том числе и ЭВМ, —его результирующая надежность
при известной структурной схеме и известных значениях надеж-
ности всех элементов, составляющих структурную схем^л) При
этом под элементами понимаются как интегральные микро-
схемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие опре-
деленные функции и включенные в общую электрическую
схему ЭВМ, так и элементы вспомогательные, не входящие
в структурную схему ЭВМ: соединения паяные, разъемные,
элементы крепления и т. д.

Примечание. Надежность указанных элементов достаточно подробно
изложена в специальной литературе. При дальнейшем рассмотрении вопро-
сов надежности ЭВМ будем исходить из того, что надежность элементов,
составляющих структурную (электрическую) схему ЭВМ, задана однозначно.

Количественные характеристики структурной надежности
ЭВМ. Для их нахождения составляют структурную схему
ЭВМ и указывают элементы устройства (блоки, узлы) и связи
между ними. Затем производят анализ схемы и выделяют
те ее элементы и связи, которые определяют выполнение основ-
ной функции данного устройства. Далее из выделенных основ-
ных элементов и связей составляют функциональную схему,
причем в ней выделяют элементы не по конструктивному,
а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы
каждому функциональному элементу обеспечивалась независи-
мость, т. е. чтобы отказ одного функционального элемента не
вызывал изменения вероятности появления отказа у другого-'
соседнего функционального элемента. Поэтому при составлении
отдельных функциональных схем (устройств узлов, блоков)
иногда следует объединять те конструктивные элементы, отказы
которых взаимосвязаны, но не влияют на отказы других эле-
ментов.

Определение количественных показателей надежности ЭВМ
с помощью структурных схем дает возможность решать вопро-
сы выбора наиболее надежных функциональных элементов,
узлов, блоков, из которых состоит ЭВМ, наиболее надежных

Рис. 7.2. Схемы последовательного (а), параллельного (6) и парал-
лельно-последовательного (в) включения элементов в структурной
схеме

конструкций ТЭЗ, панелей, рам, стоек, пультов, тумб, рацио-
нального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта
ЭВМ, состава и количества ЗИП.

При построении структурных схем используют последова-
тельное, параллельное и последовательно-параллельное вклю-
чение элементов. При последовательном включении элементов
(рис. 7.2, а) для надежной работы схемы необходима работа
всех функциональных элементов. Тогда вероятность безотказ-
ной работы схемы будет равна произведению вероятностей
безотказной работы всех функциональных элементов:

р(о=^)р2(о-^(о=пт	(7.4)

1=1

Если вероятности безотказной работы всех элементов
одинаковы, т. е. P}(t) = Р2 (г) = ... - Р„(г) = Р0(г), то P(t) = Po(t).

Если Pj(t) = е~к'\ то P(t) = П Pr(t) = е~^‘ =	где

/s 1 • 

/.£= Zt+ Л2 + Л3 + ... + Л„.
Среднее время наработки на отказ в этом случае

ЛР=1/ £*.= 1/Xv..	(7.5)

(=1

При равной надежности всех элементов (	= /.2 = ...= /.„ = А.)

nA.

Для другого простейшего случая построения структурной
схемы параллельного соединения элементов (рис. 7.2, б) веро-
ятности отказов для каждого из элементов, входящих в схему,
• <?,(/)= 1-/>,(/).

Отказ всей схемы будет иметь место тогда, когда откажут
все элементы', т. е. Q(t)=qx(t) q2(t)... qm(t) = Д [1-^(0], где т-
число параллельно соединенных элементов. При этом вероят-
ность безотказной работы всей схемы

/Х0=1-Q(0=i- ft	<7-6)

/=|

В случае применения равнонадежных элементов если P,(t) =
= P2(t)=...=Pm(t)=P0(t), то Q(t)-q-(t) = [\-P0(t)V и P(t)=A-
-[i-адг.

Если PQ(t) - то
г"=т+«:+"+л-	(7-71

В общем случае при смешанном параллельно-последователь-
ном соединении элементов (рис. 7.2, <?) следует найти вероят-
ность безотказной работы для каждой из цепочек параллельно
включенных элементов, а затем для всей схемы.

Для схемы, приведенной на рис. 7.2, в, результирующая
вероятность безотказной работы

яхт,	х

ло= пр- п [1 - ад] }

,=1 /=1	;

(7-8)

Пример. Рассчитать вероятность безотказной работы схемы, приведенной
на рис. 7.3, при известных значениях вероятностей безотказной работы составля-
ющих ее элементов: Pt =0,9; Р2 = 0,97; Р3=0,88.

Разделим схему на цепи I и II, а цепь /—на участки а, b и с. Тогда
с учетом принятых обозначений на основании (7.4) Р, =РаРьРс и на основа-

нии (7.6) Р= 1-(1—7>z) (1—₽ )=
-1-(1_р3РлРс)(1_ря).

Из (7.4) и (7.6) находим Ра
и Pc (Pb =P,rPJ’ Ро = 1-(1-Л3)>2

Отсюда

Р=1-{1-[1-(1-Р?)2]

Р2[1-(1-Рз)3]}(1-Р2).

Подставив в это выражение
значения Р,, Р>, Рэ, получим
Р-0,996.

Рис. 7.3. К., примеру расчета вероятности
безотказной работы схемы
Полученные аналитические выражения (7.1) —(7.5) позволяют
произвести расчет надежности функциональных элементов, узлов
блоков, устройств ЭВМ. Основой расчета количественных показа-
телей надежности ЭВМ является предположение, что интенсив-
ность отказов комплектующих элементов подчиняется экспонен-
циальному закону распределения.

Однако наличие нескольких количественных характеристик
не означает, что всегда нужно оценивать надежность устройств
по всём показателям.

Функциональные элементы представляют собой > элементарные,
но электрически законченные схемы (усилитель, генератор, триг-
гер и др.), на которые разбивают структуру ЭВМ. Наиболее
полно надежность функциональных элементов определяется
интенсивностью отказов Л/е:

'>!( = S TClA/П,,

(= I

где Л, —интенсивность отказов комплектующего элемента /-го
типа, входящего в состав функционального элемента; и,--число
элементов /-го типа; Ки —коэффициент, учитывающий различие
в интенсивности отказов элемента /-го типа при воздействии
на него электрических нагрузок верхнего или нижнего уровней
и продолжительности этих воздействий; и —количество типов
комплектующих элементов, входящих в состав функционального
элемента; / — номер комплектующего элемента.

. Узел представляет собой совокупность функционально связан-
ных между собой элементов (регистр, дешифратор, матрица).
Количественно надежность узла достаточно полно характеризуется
интенсивностью его отказов Лг, определяемой по формуле

и	т

7g = S ^2,7.,71/2 Kii^fenj,
/4	i = I 

(7-9)

где Л/, А./Р/—интенсивность отказов отдельных комплектующих
элементов /-го типа и интенсивность отказов функциональных
элементов у-го типа, входящих в состав узла соответственно;
K2iJ K2j - коэффициенты, учитывающие характер и длительность
электрической нагрузки в соответствии с временной диаграммой
работы узла; nit и,-количество комплектующих элементов /-го
типа и функциональных элементов у-го типа соответственно;
п, т- количество типов комплектующих элементов и функциональ-
ных элементов соответственно.

Блок представляет собой совокупность функциональных эле-
ментов и узлов (блок питания и др.). Количественно надеж-
ность блока целесообразно оценивать интенсивностью отказов
Кь и наработкой на отказ Т\ь.
Интенсивность отказов блока

h= У,	У, г^Кз^е, + У, П/КзАг,.	(7.10)

/ = 1	/ 5= |	/ == |

где Л,-, A/ej —интенсивности отказов отдельных комплектующих
элементов 4,го типа и отдельных функциональных элементов
у-го типа, входящих в состав блока; Л?е —интенсивность отка-
зов узла /-го типа, входящего в состав блока; K3i, K3j> K3I -
коэффициенты временной загрузки комплектующих элементов,
функциональных элементов и узлов при их работе в составе
блока; nh nj, п, — количество элементов J- и 7-го типов;
п, т, р — количество типов комплектующих элементов, функцио-
нальных элементов и узлов в блоке.

Наработка на отказ блока

Л.==1/х».

Среднее время восстановления блока

1 rt	1 Hl	1 !le

— S (це, + S (це,,+••+—-	Z'"'

ni%m (=|	“It,, ,= |

К

где tlier,	-соответственно среднее время восста-

новления отдельного комплектующего элемента, функционального
элемента j-го типа, узла /- типа; пе, п}, я,—количество типов
соответственно отдельных комплектующих элементов, элементов
в составе у-го типа функциональных элементов и l-го типа узла;
п^т, nrLp ~ суммарное количество типов комплектующих эле-
ментов, функциональных элементов и узлов соответственно;
т, р- количество функциональных элементов и узлов в составе
блока; NZb —количество частей оборудования блока, учитыва-

емых при расчете

Панель— конструктивная единица, служащая для электрического
и механического объединения ТЭЗ. Интенсивность отказов па-

нели Кр определяется по формуле

^р= 2 S Лл/-|- S к.7гКг-\~ У, ^vnv’

•=1 1=1'-I у=1

(7.11)

где Л,-, Л; —интенсивность отказов элементов 7-го типа (электро-
радиоэлемент или специальный элемент) или j-ro типа (интег-
ральная схема), расположенных непосредственно на панели;
—интенсивность отказов типового элемента замены r-го типа;

К7г—коэффициент, учитывающий временную загрузку ТЭЗ г-го
типа в составе блока или устройства; Лт —интенсивность отка-
зов элементов конструкции панели; п, т, р, /с—количество типов
элементов; я,, яу, я„ nv -количество элементов /-го, у-го типов
ТЭЗ r-го типа, элементов конструкции панели у-го типа.
Среднее время восстановления панели

(1 п	1	"1	1 г \

— S	+ —у-- S S	j/NiP,

11 <=1	П/z-W! .=1 /=|р Г=1	/

где С“,- —среднее время восстановления отдельного комплекту-
ющего элемента z-го типа; tlier —среднее время восстановления
ТЭЗ г-го типа; т((С/7 —среднее время восстановления элемента
/-го типа в составе функционального элемента у-го типа; лу —
количество типов элементов в составе функционального элемента
у-го типа; п, т, р- количество типов отдельных комплектующих
элементов, функциональных элементов, ТЭЗ и элементов кон-
струкции панели; Ntp —количество частей оборудования панели,
учитываемых при расчете tpp. Значения NZp соответствуют
числу S и SS в числителе.

Рама — конструктивная единица, служащая для размещения
и механического крепления одной или нескольких панелей.
Интенсивность отказов рамы

S	k

Я=]	т=1

(7.12)

где /.Pg —интенсивность отказов панели g-ro типа; K&g~коэф-
фициент, учитывающий временную загрузку работы панелей
g-ro типа в составе устройства или модели в случае,, если на
панели расположен целый блок или устройство; /.v —интен-
сивность отказов элементов конструкции рамы; ng, nv —коли-
чество панелей g-ro типа и элементов конструкции рамы у-го
типа соответственно; S, Л—количество типов панелей и элемен-
тов конструкции рамы.

Среднее время восстановления рамы

(1 р	1 11	\

— S	)/№/

Р g=l К У=1 7

где tliPg, fa —среднее время восстановления панели g-ro типа
и элемента конструкции рамы у-го типа; р, количество
типов панелей и элементов конструкции рамы; Ntf —коли-
чество частей оборудования рамы, учитываемых при расчете

Значения соответствуют числу S в числителе.

Стойка — закрытая конструкция, служащая для размещения и
механического крепления рам к панелями и некоторого числа
дополнительных устройств.

Интенсивность отказов стойки

и	?

£=l'=!

(7.13)
где К/,, kug, Av —интенсивность отказов рамы е-го типа,
дополнительного устройства g-ro типа и элемента конструкции
у-го типа; Kgt —коэффициент, учитывающий временную загрузку
работой рамы е-го типа в составе модели в случае, если на
раме расположено оборудование целого устройства; AT10g — коэф-
фициент, учитывающий временную загрузку работой дополни-
тельного устройства g-ro типа; п¥, ng, nv - количество рам е-го
типа, дополнительных устройств g-ro типа и элементов конструк-
ции стойки у-го типа соответственно; и, .у, к— количество рам,
дополнительных устройств и элементов конструкции стойки.

Среднее время восстановления стойки

 , /1 “	г "	. 1 •->	\

Л'„= (— S +— Ё Ё

______Х и г= I	и Л=|	К v=l /

где	tflu —среднее время восстановления рам е-го типа

и дополнительных устройств g-ro типа; /иеу —время восста-
новления элементов у -го типа конструкции стойки; к—коли-
чество типов элементов конструкции стойки; и, и —количество
рам и дополнительных устройств в стойке; Ntr —количество
частей оборудования рамы, учитываемых при расчете 7(tf (зна-
чения Nxr соответствуют числу S в числителе).

Расчет надежности тумбы и пульта производится методом
и в последовательности, аналогичными расчету надежности
стойки.

Расчет надежности периферийного оборудования. К периферий-
ному оборудованию относят устройства ввода — вывода, внешние
запоминающие устройства и т. п. Наработку на отказ устройств
периферийного оборудования определяют по формуле

~ Т,== 1 /(^ие, ~Ь ^11 к\|

где Zue; — интенсивность отказов электронной части устройства,
определяемая (7.9);	ЛИ(/, Z„m —интенсивности отказов электро-

привода устройства и электромеханической исполнительной части
устройства соответственно, определяемые либо по статистическим
данным, либо расчетным путем по (7.9), (7.10); АГН, К\2- коэффи-
циенты, учитывающие загрузку электропривода устройства или
электромеханической части устройства по отношению к электрон-
ной части устройства.

Среднее время восстановления устройства

/ 1 п"‘	1 "•*	1 л-	\

V rt<-, ,= |	Па /==|	пт ,.=| /

где гме/, C.eY —среднее время восстановления элементов
/-го типа электронной части устройства, у-го типа электропри-
вода и у-го типа электромеханической исполнительной части
устройства; ие/, nd> пт - количество типов элементов электронной
части устройства, электропривода устройства и электромехани-
ческой исполнительной части устройства; NZu —количество частей
оборудования устройств, учитываемых при расчете ТЦи. Значе-
ние NLu соответствует числу 2 в числителе.

Наработку устройства на отказ в единицах обработанной ин-
формации определяют по формуле ЯшАи =^tTKu, где И,—техни-
ческая скорость устройства (например, количество строк в час
для печатающего устройства).

Коэффициент готовности

1/[1 +(^/Л,)].

Учет условий эксплуатации. В зависимости от назначения
и объекта установки на ЭВМ могут воздействовать внешние
факторы, снижающие уровень надежности, достигнутый на этапе
ее производства или имеющийся при эксплуатации в нормаль-
ных условиях. Чтобы учесть снижение уровня надежности, при
расчетах по выражениям (7.8) — (7.13) в них вводят дополнитель-
ный безразмерный коэффициент числовое значение кото-
рого зависит от вида объекта, в котором будет эксплуатироваться
данная ЭВМ. Если принять Кк для лабораторных и благо-
устроенных помещений равным 1, то для стационарных наземных
устройств Кх =5^-10, для защищенных отсеков кораблей
Кх. =15-5-20, для автоприцепов Кх =25, для железнодорожных
платформ Кх =25-5-30, для высокогорных условий Кк =80; для
самолетов К, = 120-5-150, для управляемых снарядов = 3(ХН-350,
для ракет АГ* =900-5-1000.

Пример. ЭВМ, предназначенная для установки в самолет, состоит из
N = 200 микросхем. Интенсивность отказов микросхем Л = 10-в1/ч. Найти
Гер и P(t) при ? = 20 ч. Для самолета Кх =150. С учетом условий эксплу-
атации

Л2==Л'КхХ = 0,03 1/ч.

Тогда

Гср=1/Х2 = 33,3 ч; Р(О=е-л,’-А:‘' = е-о’6 = 0,553.

Полученные в примере показатели надежности Тер = 33,3 ч
и Р(20) = 0,553 во многих случаях не могут удовлетворить раз-
работчиков, поэтому для повышения надежности ЭВМ при сохра-
нении ее общих технических характеристик применяют различ-
ные методы, которые могут быть разделены на две группы:
структурные и информационные.

§ 7.3

СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ

Значительного повышения надежности ЭВМ достигают созда-
нием новых элементов. Так, применение ИС для построения
основных узлов ЭВМ (регистров, сумматоров и др.) привело к
значительному повышению надежности машин третьего и чет-
вертого поколений.

Однако повышением надежности элементов рассмотренными
выше методами не удается в настоящее время полностью решить
проблему построения надежных ЭВМ, что вызвано значитель-
ным опережением роста сложности вновь разрабатываемых ЭВМ,
большими затратами при получении элементов высокой надеж-
ности, а также существованием элементов, надежность которых
довольно низка и трудно поддается повышению (устройства
ввода и вывода информации и др.). Поэтому один из путей
повышения надежности ЭВМ — введение схемной избыточности.
Разработка методов синтеза ЭВМ, обладающих заданной надеж-
ностью, сводится к нахождению оптимальной избыточности.
При этом основное — согласование метода повышения достовер-
ности с наиболее вероятными ошибками, появляющимися в
различных устройствах ЭВМ. Полные и достоверные сведения
об ошибках могут быть получены при эксплуатации машин,
но проведение подобных испытаний связано с большими
затратами времени и не всегда возможно при эксплуатации.
Кроме того, такие сведения зависят от конкретного конструк-
тивного выполнения ЭВМ и конкретных условий ее эксплуа-
тации, в связи с этим они частично теряют свою ценность
при проектировании новых вычислительных устройств. Поэтому
на практике сведения об ошибках получают приближенно по
результатам специальных статистических испытаний, проводи-
мых на установках, которые содержат испытуемое устройство
(контрольное устройство работает так же, как и испытуемое,
однако в нем приняты специальные меры по повышению
надежности) и устройство автоматической обработки результатов.

При обработке статистических данных определяют вероят-
ностные характеристики ошибок как функции времени работы
устройств. К этим характеристикам относят вид распределения,
среднее время между отказами или сбоями, кратность ошибок,
наличие пачек и др. Эти характеристики являются исходными
данными для выбора метода введения избыточности и расчета
надежности проектируемой ЭВМ.

Так как увеличение надежности отдельных элементов есть
предел, обусловливающий современный уровень развития
технологии их изготовления, а сложность устройств стреми-
тельно возрастает, то введение схемной избыточности имеет
все большее значение при построении надежных ЭВМ.

Один из видов схемной избыточности— структурное резерви-
рование, предполагающее включение в схему устройства до-
полнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать
отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную
работу. Но резервирование эффективно только в том случае,
когда неисправности являются статистически независимыми.
Рис. 7.4. Схема мажоритарного
элемента «2 из 3»

В ЭВМ ввод структурной избыточ-
ности производят по следующей
схеме: входные сигналы поступают
на п логических схем, причем
п> к, где к— число логических
схем в нерезервированной схеме.
Выходные сигналы всех п логи-
ческих схем далее подают на реша-
ющий элемент, который согласно
функции решения по этим сигна-
лам определяет значения выход-
ных сигналов всей схемы.

Функция решения — правило отображения входных состояний
решающего элемента на множество его выходных состояний.
Простейший и наиболее распространенный вид функции реше-
ния—«закон большинства», или мажоритарный закон. В таком
случае решающий элемент обычно называют мажоритарным
элементом. Работа мажоритарного элемента состоит в следую-

щем: на входы элемента поступают двоичные сигналы от не-
четного количества идентичных элементов; выходной сигнал эле-
мента принимает значение, равное значению, которое принима-
ет большинство входных сигналов. Наиболее широко исполь-
зуют мажоритарные элементы, работающие по закону «2 из 3».
.В этих элементах значение выходного сигнала равно значению
двух одинаковых входных сигналов. Кроме того, известны
мажоритарные элементы, работающие по закону «3 из 5»,
«4 из 7» и т. д. Схема мажоритарного элемента, работающего
по закону «2 из 3» и построенного из логических элементов И
и ИЛИ, основана на выражении г = х1х2+х2хз+х1х3 и имеет вид,
изображенный на рис. 7.4.

Вероятность безотказной работы мажоритарной схемы «2 из 3»,
приведенной на рис. 7.4, можно рассчитать по формуле

Р(0=[Р„(0]2[3-2Л,(/)].

где Ри (7) —вероятность безотказной работы схемы И.

Вероятность безотказной работы мажоритарной схемы при
к=(п—1)/2 определяется соотношением

P=PV 2 (<П)Р	.

i =о

где л—число входов мажоритарного элемента; р — вероятность
безотказной работы одного элемента схемы; Рм — вероятность
безотказной работы мажоритарного элемента.

Для повышения надежности схемы могут быть введены
избыточные мажоритарные элементы. В этом случае при
выходе одного или нескольких мажоритарных элементов из
строя схема продолжает работать безотказно за счет больший-
ства исправно работающих мажоритарных элементов. Вероят-
ность безотказной работы такой схемы определяется как

(п-1)/2	(п-П2

Р’= s (хл)рп—(I — р)' S	- P.Y

Однако если логические схемы не идентичны, «закон боль-
шинства» неприменим. В таких случаях используют взвешен-
ные входы решающего элемента. Работу такого решающего
элемента описывают пороговой функцией. Функцию алгебры
логики F(xv...,Xn) называют пороговой, если существует ряд
таких действительных чисел с2,-->сп и Тср, для которых

выполняется условие

F(xi, ... , х„)=

п

1, если ^XtCi^T-,
i=i

О, если

2 XiCi<T,

где х,—независимые переменные, принимающие значения О
или 1; с, — вес (положительный или отрицательный), соот-
ветствующий х, ; Т— порог функции.

Наиболее часто в ЭВМ используют пороговые функции,

У	которых	Су = С2= ... = сп = с >0 и	Т>0.	Следовательно,
		п  1, если 2	^Т/с\	
		E(xi, ... , х„)= .	‘“°		
		0, если 2 х><	Z(T/c).	

/=i

Если k—\ <(T/c)^.k, ( 1, если k или большее число переменных равно 1;

то F(xi, ..., хп)= I 0, если k—1 или меньшее число переменных равно 1.

Решающий элемент, работающий согласно этим выражениям,
называют пороговым элементом. Схема порогового элемента по-
казана на рис. 7.5.

Веса входов порогового элемента выбирают в зависимости
от вероятности ошибок в соответствующей логической схеме.
Логической схеме с большей вероятностью ошибки соответ-
ствует меньший вес, а более надежной схеме — больший вес.

Схемы, преобразующие г избыточных входных сигналов,
часть из которых может быть ошибочными, в г безошибочных
сигналов, называют восстанавливающими устройствами. Простей-
ший вид восстанавливающего устройства представлен на
рис. 7.6. В таких схемах в качестве решающего элемента
используют мажоритарный элемент, пороговый элемент и др.
Кроме того, имеются устройства, в которых соединение входов
произведено случайным образом. Такие восстанавливающие
Устройства называют однослойными.
Рис. 7.5. Схема порогового элемента

Рис. 7.6. Схема восстанавливаю-
щего устройства со строго опре-
деленными соединениями

Восстанавливающие устройства могут быть построены также

из двух слоев логических элементов с использованием двух-
входовых элементов И —НЕ и случайных соединений входов.
Схема такого устройства представлена на рис. 7.7. Здесь
одиночная ошибка на входе вида 0 1 исправляется первым
слоем. Одиночная ошибка вида 1 -*0 вызывает двойную ошибку
на выходе первого слоя, которая исправляется вторым слоем.
Двойная ошибка на выходе первого слоя будет исправлена
всегда, когда на каждую пару входов И —НЕ второго слоя
поступит хотя бы один безошибочный сигнал. Если на оба
входа некоторого элемента И —НЕ поступят ошибочные сигналы,
то на выходе восстанавливающего устройства соответствующий
сигнал будет ошибочным. При большом г, когда в основном
применяют случайные соединения входов, вероятность такого

ггА

Рис. 7.7. Схема многослойного восстанавлива-
ющего устройства.

совпадения очень мала.
При небольшом г эта ве-
роятность увеличивается
и поэтому вместо случай-
ных соединений приме-
няют соединения, соот-
ветствующие определен-
ному закону. Законы,
определяющие порядок
соединения входов, ис-
следуют избыточной ло-
гикой с переплетением.

Резервирование без
восстановления.По спо-
собу включения ре-
зервных элементов
функциональных
устройств различают три вида резервирования: постоянное,
замещением и скользящее.

При постоянном резервировании предполагают, что любой
отказавший элемент или узел не влияет на выходные сигналы
и поэтому его прямого обнаружения не производится.
Постоянное резервирование наиболее распространено в невос-
станавливаемых устройствах. Кроме того, оно является единст-
венно возможным в устройствах, где недопустим даже кратко-
временный перерыв в работе. Постоянное резервирование вводит-
ся или с помощью решающего блока, или в виде однотипных
элементов или блоков, включенных последовательно, парал-
лельно или, например, согласно законам /с-краткой логики.
В качестве решающего блока можно использовать мажоритарные
элементы с постоянными или переменными весами, кодирую-
щие—декодирующие устройства и схемы из логических элемен-
тов И, ИЛИ, НЕ.

При резервировании замещением предполагается обнаружение
отказавшего элемента или узла и подключения исправного.
Замещение может происходить либо автоматически, либо
вручную. Резервирование замещением имеет следующие до-
стоинства: для многих схем при включении резервного обору-
дования не требуется дополнительно регулировать выходные
параметры, вследствие того что электрические режимы в схеме
не меняются, резервная аппаратура до момента включения в
работу обычно обесточена, что повышает общую надежность
системы за счет сохранения ресурса электронных устройств,
кроме того, экономится энергия источников питания, имеется
возможность использования одного резервного элемента на
несколько рабочих. Вследствие сложности аппаратуры для
автоматического включения резерва резервирование замещением
целесообразно применять к крупным блокам и отдельным
функциональным частям ЭВМ.

При скользящем резервировании любой резервный элемент
может замещать любой основной элемент. Для осуществления
этого резервирования необходимо иметь устройство, которое
автоматически находит неисправный элемент и подключает
вместо него резервный. Достоинство такого резервирования в том,
что при идеальном автоматическом устройстве будет наиболь-
ший выигрыш в надежности по сравнению с другими мето-
дами резервирования. Однако осуществление скользящего
резервирования возможно лишь при однотипности элементов.

Определим основные характеристики надежности ЭВМ при
различных видах резервирования. Так как эффективность по-
стоянного резервирования равна эффективности резервирования
замещением в нагруженном режиме при идеальных переключа-
телях, получение основных характеристик надежности целесо-
образно провести для резервирования замещением.
Различают резервирование замещением: нагруженное— резерв-
ные элементы находятся в таком же рабочем режиме, как и
основные элементы; облегченное— резервные элементы находятся
в неполном рабочем режиме; непогруженное— резервные элемен-
ты находятся в нерабочем состоянии.

Так как время безотказной работы каждой ИС распределено
по экспоненциальному закону, а поток отказов простейший,
то основа для расчета надежности при различных видах
резервирования —вероятность безотказной работы /-го элемента
Pi	, где Л i — интенсивность отказа /-го элемента.

В случае нагруженного резерва элемент находится в одном
и том же режиме и до и после включения в работу. Поэтому
надежность каждого элемента не зависит от моментов отказа
других элементов. Можно считать, что время, в течение кото-
рого отказавший элемент заменяется резервным, равна нулю.

Рассмотрим систему из одного основного и т — 1 резервных
элементов. Введем обозначения: Pi (t), Pi(t),..., Pm(t) — вероятности
безотказной работы соответствующих элементов в течение
времени t; q,(t), q2(t),—,qm(t)-вероятности отказа; Pm(t) — вероят-
ность безотказной работы всей системы из т элементов; Qm(t) —
вероятность отказа всей системы из т элементов.

Так как все отказы независимы, то, по теореме умножения
вероятностей, Qm= q^(t)q2(t),...,qm(t).

Выражение для надежности имеет следующий вид:

Р"Ю= 1-И-/31«][1-Pitt)]--[I-(7.14)

Если все элементы имеют одинаковую надежность, т. е.

P1W=P2(o=... = PmW; <?(/)= 1-Р(0. то Qm(/)=<?'"(/);

Ри(/)=1-[1-Р(/)]и

Эти формулы позволяют найти число резервных элементов,
при котором QJt) не будет превосходить заданной величины Q:
qmS^ Q. Отсюда [1п(1 / 0/1п(1 / #)].

Среднее время наработки на отказ системы

Тт= Pm(t)dt,

или

г Г m	Т г Г

Тт= $ 1- П (1 —е -') \dt= $ Se-^'-
о *- fc=i	о L k

— 2e“(it+ls)'+ 2 e-un->.s+M'_... |d/ =	(7.16)

k<S	k<S<l	-1

? Ss	<,<?</ X.fc-|-A.s-|-X/	) X.1

Для случая равных надежностей Pi(t) = Q~/‘ среднее время
наработки на отказ системы
У- = S Г1 — (1 -е-”Г =4- $ (1 -0/(1 —z)dz =
о	о

= (1/Х) $ (1+г+г2+...+ги-') = ^-(1 + 1/2+1/3+...+ 1/т),	(7.17)

о	Л

где z= 1—е~х!

Так как среднее время работы одного элемента Ti = l/X,
то Тт =7^(1 + 1/24-1/3 4-...4- 1/т).

Выражения (7.14) —(7.17) действительны для общего резерви-
рования, когда резервируются блоки, отдельные устройства или
целиком ЭВМ. В этом случае под X, и Pt(t) принимается
соответственно интенсивность отказов и вероятность безотказ-
ной работы /-го резервированного блока (устройства, ЭВМ).

Для случая нагруженного резерва с поэлементным резерви-
рованием (рис. 7.8), когда в основном устройстве (блоке, ЭВМ)
имеется п элементов, каждый из которых резервируется т— 1
аналогичными элементами, вероятность безотказной работы рас-
считывается по формуле

РРазд(/)= П[1-(1-е-хП-	(7.18)

/=1

При равнонадежных элементах

Рразд(0=[1-(1-е-х'ГГ

_	(и-1)!^1	1

‘Р Хи ,.= v,(v,+ l)...(v,+n—1) ’

где у,. =(/+ 1) / т.

>С точки зрения повышения надежности более эффективно
поэлементное резервирование.

Параметр т называют кратностью резервирования. Если речь
идет, например, о четырехкратном резервировании, то это
означает, что в системе имеется один основной элемент и
три резервных. При т = 2 имеет место случай дублирования,
а при /и=3 — троирования системы.

Рис. 7.8. Напряженный резерв с по-
элементным резервированием

Пример. Пусть ЭВМ состоит из пяти
устройств, отказ любого из которых при-
водит к отказу всей ЭВМ. Известно, что
в данный момент времени Р\ =0,7;
Р2 =Р3 = 0,9; Pt =0,8; Р5 =0,6. Опреде-
лить вероятность безотказной работы ЭВМ
для случаев: без резерва, с общим ре-
зервированием, раздельным резервирова-
нием. Кратность резервирования т = 3.

5

Для случая без резерва Р = П Р, «0,3.
/= ।

Для случая общего резервирования из
(7.15) получим

Ро6Ш = 1 -(1 - Р)т = 1 -(1 - Р)3 ® 0,66.
Т t

Рис. 7.9. Графическое пред-
ставление плотности распре-
деления времени безотказ-
ной работы основного и ре-
зервного элементов в систе-
ме с облегченным резервом

Для случая раздельного резервирования из
(7.18) получим

Рра3д = [1-(1_Р,)][1_(1_Р2.3)3]2Х



X [ 1 -(1 -Р4)3][ 1 -(1 -Л)3]« 0,9.

Таким образом, раздельное резервирова-
ние в данном примере привело к увеличению
параметра надежности почти в три раза, в
то время как общее резервирование при тех
же аппаратурных затратах увеличило пара-
метр надежности только в два раза.

Рассмотрим случай, когда резерв-
ные элементы находятся в неполном
рабочем режиме. Пусть система состо-

ит из двух параллельных элементов. Резервный элемент до
момента отказа основного элемента находится в облегченных усло-
виях. Плотность распределения времени безотказной работы основ-
ного и резервного элементов показана на рис. 7.9, где т — момент

включения резервного элемента взамен отказавшего.

Предполагается, что переключающее устройство действует
безотказно. Найдем вероятность безотказной работы системы
за время t. Обозначим: Рх — вероятность безотказной работы
основного элемента; Л 1 — интенсивность отказа основного эле-
мента; Р2 — вероятность безотказной работы резервного элемента
в рабочем режиме; Z2 — интенсивность отказа резервного
элемента в рабочем режиме; Р° — вероятность безотказной рабо-
ты резервного элемента в облегченном режиме; — интенсив-
ность отказа резервного элемента в облегченном режиме.

Очевидно, что основной элемент имеет два состояния, а
резервный —четыре, т. е. общее число всевозможных состояний
системы равно восьми. Из этих состояний благоприятны
следующие: а) оба элемента работают безотказно; б) первый
элемент работает безотказно, а второй отказал в интервале
времени от 0 до т; в) первый элемент отказал в интервале
времени от 0 до т, а второй работает безотказно в интервале
времени от 0 до т (в облегченном режиме) и в интервале
времени от т до t (в рабочем режиме).

Вероятность безотказной работы резервированной системы:

Р = Р(1)+Р(2)+Р(3); Р(1)=Р,Р°2; Р(2)=Р,(1—Р?).

Предположим, что отказ основного элемента в случае
в) произошел на участке от т до r+tZr. Тогда на участке 7т
вероятность отказа основного элемента будет /i(t )<7т, где
/i(t)= Л, Р( т) — плотность распределения наработки до отказа
основного элемента.

Вероятность Р (3) находят так: Л+</т(3)=	( т )7 т 7*2[(7—

— т)/т], гдеРгК^- т)7 т )] = P°(t- т ) — условная вероятность того,
что резервный элемент безотказно проработает время t—т при
условии, что за время т он не отказал.

Отказ основного элемента может произойти на любом участ-
ке времени от 0 до t, поэтому Р3 = '^Рл( т)Р°(х) P2(t— i)dt.
Окончательно Р(3) = [ А.! /{кл - А°- А2)] (Р2 -P^Pty.

Следовательно, вероятность безотказной работы резервирован-
ной системы, состоящей из двух элементов, при условии, что
резервный элемент работает в облегченном режиме, равна

Р = Р| + [К,/(Х1 + ^- К2)](Р2-/>,/>§).

Если один элемент основной, a (w-l)-e элементы резерв-
ные, то вероятность безотказной работы системы, резервирован-
ной по способу замещения, равна

т — 1

II(iH-Vy)

А* 4	” m—I (	1 xipi

n_^ '=°_______ у у 1) Czrt-1 + л

Гт-'(т-1)! "	1 + К

Когда основных элементов к и элементов резервных
т — 1, то вероятность безотказной работы системы

/»/— 1

Р= ГТ	с-(1 + У;,)М

При нагруженном режиме плотности распределения времени
безотказной работы основного и резервного элементов прини-
мают одинаковыми. В этом случае PQ=P; А° = К, л° / А = 1.
Здесь если один элемент основной, а (т~1)-е элементы — ,
резервные, то вероятность безотказной работы системы

т — I

Р=т 2

g—(1 -н)м

Для к основных элементов и т—1 элементов резервных

При ненагруженном режиме А° = 0, Р° = 1, К=0. Тогда
вероятности безотказной работы систем с резервированием
соответственно для случая одного и к основных элементов
и т-1 элементов резервных имеют вид.

P = e-2<<; w= Д е-м’£' (МУ .
i=0 u	/=|	1=0	1‘

Из трех рассмотренных способов резервирования наибольший
выигрыш в надежности получают в ненагруженном режиме.

Сравнительный анализ существующих методов и способов
резервирования позволяет выбрать лучшие из них. Однако при
этом увеличиваются масса, габариты и стоимость аппаратуры.
Поэтому на практике возникает задача резервирования системы,
чтобы ее вес, габариты и стоимость были не выше допусти-
мых, а надежность — максимальной или чтобы вероятность
безотказной работы была не ниже требуемой, а масса, габари-
ты и стоимость системы были минимальными. Аналитическое
решение этой задачи практически можно получить только
для случая поэлементного постоянного резервирования при
одном ограничении (при нескольких ограничениях может быть
построен алгоритм решения задачи на ЭВМ).

Рассмотрим оптимальное резервирование при ограничении
массы аппаратуры (или какой-нибудь одной величины). Пусть
имеется нерезервированная система из п последовательных
элементов, причем qj —вероятность отказа /-го элемента, а
Ж, —масса элемента. Требуется произвести поэлементное
резервирование этой системы так, чтобы ее масса не превыша-
ла заданной, а надежность была максимальной.

Масса нерезервированной системы и вероятность ее безот-
казной работы соответственно

Ц70= S Р=Д(1-(7).	(7.19)

1=0	1= 1

Если каждый элемент зарезервировать т—1 раз, то масса
резервированной системы Wp = S а вероятность исправ-
ной работы Рр = П (1—ЯТ‘}-

Задача сводится к нахождению таких целых чисел /и?>1,
при которых Ертах и масса системы не превышает допустимого
значения:

(7.20)

1=1

Решая поставленную задачу, первоначально принимаем, что
т (>0 — любые числа, удовлетворяющие выражению (7.19).
Пусть т°, т%, ..., wo —набор чисел, удовлетворяющих (7.10)
и дающих Рр в (7.10) максимальное значение. Так как Рр увели-
чивается с ростом каждого т,, то т° должны удовлетворять
уравнению

2 m?Wi = Гдо„.	(7.20

1=0

Точка {т®] является точкой условного экстремума функ-
ции (7.19) при условии (7.21). На основании теории условного
экстремума можно утверждать, что в точке экстремума справед-
ливо следующее равенство: д(Рр —	,=0 (/ = 1, 2, ..., п).

Подставив в это уравнение значение Wp и Рр и преобразовав
его после логарифмирования, определяем =1п[(у+ а,) / а,] /
/In (1 / q.\ где а, = ю( / ln(l /<?, ); у = Рр /К.

Подставим w, в (7.21) и будем считать, что единственным
корнем уравнения является уо. В результате получим
w° = ln[(y0+ а, )/а,]/1п(1 / q, ) или Рр=у”/П(у0 +а,).
Таким образом, зная вероятность отказа элементов </., состав-
ляющих систему, и их массу W, можно произвести поэлементное
резервирование так, что масса резервированной системы не будет
превышать допустимого, а вероятность безотказной работы будет
максимальной. Аналогично решается и обратная задача.

Резервирование с восстановлением. Значительный эффект по-
вышения надежности ЭВМ путем резервирования достигается в
системах с восстановлением. Основные задачи, рассматриваемые
при расчете надежности восстанавливаемых ЭВМ, возникают при
следующей ситуации. Исправная ЭВМ начинает эксплуатиро-
ваться в момент времени 7=0 и, проработав случайное время xv
выходит из строя. На ремонт требуется случайное время
Этот процесс продолжается в течение всего срока службы ЭВМ,
причем величины х,. и (/=1, 2, ...) независимы. В случай-
ные или заранее установленные моменты времени tj 0=1, 2, ...)
могут проводиться профилактические работы случайной или по-
стоянной длительности z (. Процесс усложняется в основном по
следующим причинам:

а)	наличие резервных устройств и, как следствие этого, на-
лйчйе переходов из одного уровня избыточности на другой;

б)	дискретность работы устройства с заранее запланирован-
ными или случайными моментами начала и окончания ра-
боты;

в)	ограниченность числа восстановлений (например, в тех
случаях, когда восстановление заключается в простой замене,
а запасных устройств конечное число);

г)	очередь на обслуживание;

д)	ложные восстановления исправных устройств из-за отказа
схемы контроля;

. е) невозможность начать восстановление устройства или ЭВМ
сразу же после его отказа из-за неполноты схемы контроля.

Рассмотрим два наиболее распространенных способа восста-
новления резервированных систем: а) устранение отказов за вре-
мя тв сразу после их возникновения; б) устранение отказов во
время профилактических осмотров с интервалом профилак-
тики тпр.

. Определим среднее время т/г между отказами обобщенной
избыточной структуры, если известны закон надежности P(t) и
функция распределения времени восстановления G(t) одного
устройства. При работе ЭВМ обычно считают, что функции P(t)
и G(t) имеют экспоненциальное распределение: P(t)=c~lii/i
G(t)=^' (где Л и ц —параметры распределений). В этом случае
надежностную модель избыточной структуры можно свести к
однородному марковскому процессу с конечным числом состоя-
ний. Пусть £-м состоянием избыточной структуры, состоящей из
п + s = I устройств, будет такое состояние, когда отказало
ровно к устройств и Pk(t) — вероятность этого события.
Так как при экспоненциальных законах распределения вре-
мени безотказной работы и восстановления вероятность изме-
нения состояния ЭВМ на участке (t, t + At) не зависит от
момента времени t, то

Р(Д0=ХДг 4-0(Д/);	(7.22)

6(Д0=рЛ' + О(Д0.

(7.23)

Поэтому если в избыточной структуре отказало к каналов,
то из этого состояния она может перейти в (к+ 1)-е состоя-
ние (т. е. откажет еще один из оставшихся / - к каналов) с
вероятностью (/- к)/Л1 + 0(Д() или с вероятностью А'цДг +
+ О(Д0 перейти в (к— 1)-е состояние (отремонтируется один
из к отказавших каналов). При этом учитывают, что процесс,
описываемый исходными уравнениями (7.22) и (7.23), ординар-
ный и вероятностью изменения состояния избыточной струк-
туры за время более одного раза можно пренебречь.
Кроме того, полагают, что интенсивность восстановления
каждого отказавшего канала не зависит от числа других
отказавших каналов. Составим для этого случая уравнение
вероятности Pk(t+Af) /с-го состояния резервной структуры в
момент времени (Г4-Д0, если известны вероятности состояний
в момент t. По формуле полных вероятностей,

Ро(/+ДО = Ро(О[1-аД0+Р1(/)цДГ+О(Д/);

Pft(f+A/)=Pft_i(O[(Z-/e + l)XA/]+Pft(O{l-[(Z-/e)X+/en]AO +
+ Pk+[{t\k-Y 1)цДГ+0(Д/), й=1.	, т;

(7-24)

Рг(/ 4-Д0 = Pr(/)(Z-0XAZ+Pr+1(0(г + 1 )p.AZ + О(Д0.

От системы разностных уравнений можно перейти к диф-
ференциальным уравнениям, если члены PQ(t), Pk(t) и Pr+}(t)
перенести в их левую часть, правые и левые части разделить
на △(, тогда при получим

dP0(t)/dt = - P0(Z)ZX + Р!(0ц;

dPk(t)/dt = P^(lXl-k+l)X-P^)[(/-k)X+kn] +

+ Pfe+l(ZXfe + l>; k=l, ... , г;

dPr+1(0/dZ = Pr(ZXZ-r)X+Pr+1(ZXr+l>.

Определим Pr+i — вероятность отказа избыточной структуры
за время t и среднее время безотказной работы резервной
группы Т1г. Для разрешения системы (7.25) относительно
Pr + i (t) применим преобразование Лапласа;

f(z)= $e~"P(0dZ.	(7.26)

О

В результате получим систему алгебраических уравнений
относительно функции fk(z):
(tt.+z)fo(z) — n/j(z)=O;

—(7—k+ 1 )X^_!(z)+((/—k)l+ ky.+z)fk(z) —

—(&+1 W*+iO) = 0, k=l........ r;

(7.27)

-(/-rM(z)+(r+ 1 Xn+z)fr+,(z)= 0.

Функцию /r+1 (z) найдем по правилу Крамера: /г+1 (i) =
= Dr+] (z)/D, где D(z) — определитель системы (7.27); Dr+} (z) —
определитель, полученный исключением столбца коэффициен-
тов при неизвестной fr+,(z) в матрице определителя D(z).

Искомая вероятность безотказной работы Pr+l (t) опреде-
лится по формуле обращения интегрированием по контуру:

^+1(0

=J_Ce^+1(z)
2л/ 3 О(г)

(7.28)

Определение вероятности Рг+1 по (7.28) в общем случае
связано с громоздкими вычислениями. На практике же пред-
ставляет интерес случай, когда отказы избыточной структуры
являются редкими событиями, т. е. выполняется условие
/ХОц. Если отношение Х/ц стремится к нулю, то предел
отношений определителей D, +1 (z)/D(z) системы (7.27) равен

!imx/^0Or+i(z)/O(z)=l/z(l+z).

(7.29)

Подставляя (7.29) в (7.28), получим
пределение вероятности безотказной

асимптотическое рас-
работы избыточной

структуры:

Л+1(/)«е-г/г'Л

(7.30)

где Т!_г —постоянная, имеющая смысл среднего времени без-
отказной работы избыточной структуры.

Формула (7.30) является очень важной в теории избыточных
систем с восстановлением, так как все расчеты при экспо-

ненциальном законе надежности значительно упрощаются.
При этом среднее время безотказной работы избыточной
структуры Ткг может быть определено как среднее время
перехода процесса (7.24) из нулевого состояния в (г+ 1)-е
состояние по следующей формуле:
k
г

Т,.г=

*=о ЦИк

(7.31)

где Рк = limPk(t) — вероятности, получаемые решением (7.25)
путем предельного перехода при 7-*°°.

Вероятности Рк, в свою очередь, равны

Rk==^iz^±p0=akP^	(7.32)

Щ...JAfe

где Л,= (/ - /)Х; Ро — вероятность того, что все устройства
резервной структуры исправны, т. е..ц, = /ц.
Подставляя (7.31) в (7.32), получим

г т’о-ь 2 а‘Ро г Ч- 2 а>

т<.'= 2 ~ ‘[р  -2~т^=

*=о	*=0 иак

г i+ 2 7(/+i)-(/-' + iXW7'-!

=S0	[/(/-1)...(/-A)/*!]Wp/	’	(7’33)

Формула (7.33) определяет точное значенйе среднего време-
ни безотказной работы избыточной структуры. Ее можно зна-
чительно упростить, если воспользоваться допущением, кото-
рое было принято при выводе (7.30) для вероятности безотказ-
ной работы. В этом случае сумма в числителе выражения (7.33)
много меньше единицы и ею можно пренебречь, а общая
сумма определяется только слагаемым с малым знаменателем,
т. е. при к = г

Г‘-г- [/(/-!)...(/-г)/г]ЦХ/нУ = (/-г)С?Г+' '	(7’34)

Обозначив в соответствии с (7.22) и (7.33) через Т=1/А.
среднее время безотказной работы и через т = 1/ц среднее
время восстановления одного устройства, получим приближен-
ную формулу для определения среднего времени безотказной
работы избыточной структуры с восстановлением:

т;г=-----(—Y+1.	(7-35)

(/-r)Q V т )

В частном случае для систем, когда г=1, получа-
ем Т/j = ТЧ[1(1 - 1)т], т. е. квадратичную зависимость време-
ни Т,j от времени Т.

Приведем для сравнения среднее время безотказной рабо-
ты той же избыточной структуры в невосстанавливаемом
режиме, когда отказы не устраняются, а накапливаются и
при отказе r+ 1 наступает отказ избыточной структуры:



(7.36)

где Т— среднее время безотказной работы одного канала.

Из (7.36) видно, что для систем без восстановления среднее
время безотказной работы с введением избыточности растет
очень медленно. Если сравнить (7.35), определяющую среднее
время безотказной работы избыточной структуры с восста-
новлением, с (7.36) для структуры без восстановления, то
значительный выигрыш очевиден.

Пример. Пусть имеется дублированная система. Требуется опреде-
лить Т системы с восстановлением и без восстановления работоспособ-
ности при 1 = 2, r= 1, Т= 2000г, т — 1г. При вычислениях будем пользоваться
приближенными формулами.
Для случая резервирования без восстановления из (7.36) Гб. восст =3000 ч.
При резервировании с восстановлением Гвосст =Т*[1(1- 1)т] = 2 000 000 ч.
Таким образом, эффективность вводимой избыточности при наличии
восстановления значительно повышается. И наоборот, избыточность без
восстановления для систем длительного пользования малоэффективна и
практически очень часто неоправданна.

Профилактика ЭВМ. Профилактика также принадлежит к
способам, позволяющим повысить надежность ЭВМ. Но в отли-
чие от способа, описанного выше, здесь коррекция закона
надежности P(t/P) производится не в случайное время, свя-
занное с возникновением отказа и со скачкообразным изме-
нением вида функции Р(7/т), а в заранее запланированные
моменты времени. Рассмотрим случай, когда профилактика
осуществляется через равные интервалы времени т0, причем
время, затрачиваемое на профилактику, мало по сравнению
с временем т0. Будем считать также, что во время профилак-
тики происходит полное восстановление надежностных
свойств ЭВМ. Обозначим вероятность безотказной работы
системы в исходном состоянии через P(t), т. е. P(t/G)=P(t).

Полное восстановление надежностных свойств во времени
профилактики означает, что для такой системы должно выпол-
няться равенство

□ Р(//пт0)—Р(/—пт0), t>m0,	(7.37)

где «=1, 2, ... — число профилактик до момента времени t.

Условие (7.37) показывает влияние профилактики с полным
восстановлением на надежность системы.

Перейдем теперь к определению надежности характеристик
систем с профилактикой. Найдем функцию надежности
системы P*(t) как вероятность того, что система не откажет на
интервале времени (0, 0, если за это время будет проведено
t/iQ профилактик. Обозначим через Ак событие, состоящее
в том, что система исправно проработает на интервале вре-
мени [(&— 1)т0, Ьо]. Событие, состоящее в том, что система
не откажет на определенном интервале времени, обозначим
через А. Очевидно, что событие А есть произведение собы-
тий Ак, т. е. система не откажет на интервале времени (0, f)
только в том случае, если она не откажет ни на одном из
интервалов [(&— 1)т0; £т0], fc=l,[f/r0]:

[<AJ

Л=Л°ПА,	(7.38)

(=1

где Ло—событие, состоящее в том, что система не откажет
на интервале времени ([г/т0], т0, f).

Для вероятности p*(t) в общем случае

[</т]

Р*(О=Р(Д)=Р(ДОПД.).
Вероятность произведения событий

[<Л]

Р(ЛоПА)=Р(Л1)Р(Л2/Л,)...

/= I

/	и/т«]—1 \ / l'/М \

 П л,)р(л0/П^).

где согласно условию вероятность

Р(Л,)=Р(т0).

Условные вероятности Р(Ак/ПА1) могут быть определены
как	к 1	-1

P^/nA)=P(W(*-l)ro)	(7.39)

и на основе (7.37) равны

Р(/гто/(/г — 1 )т0)= Р(/гто—(/г— 1 )го)= Р(то).	(7-40)

С учетом (7.41) и (7.42) выражение (7.39) определится как

Р*(О = {Р(то)}[,Ло1Р(/-То[//то]).	(7.41)

Выражение (7.41) представляет собой искомый закон надеж-
ности системы с профилактикой. Через вероятность P*(t) мо-
гут быть определены все остальные характеристики системы.
Так, один из основных параметров надежности (среднее время
безотказной работы системы с профилактикой) может быть
найден как

T*=^P\t)dt.	(7.42)

О '

Подставляя значение вероятности P*(t) из (7.41) в (7.42),
получим

Г* = $ {Р(то)}['А’]Р(Р-то[//то])<«.
о

Разобьем интервал интегрирования (0, °°) функции P*(t)
на участки (0, т.о), (т0, 2т0), ..., (fcr0(fc+ 1)т0). Тогда

Т*= ’J P(J)dt+ $ Р(т0)Р(/—т0)«// + $ {Р(то)}Р(/-2то)<Л+...
тс	2та

оо (*+1)то

•••+ J {Р(то)}*Р(/-/гто)^+-= S J {Р(то)}‘Р(/-Ы)^/ =
бто	6=0 /гТо

оо	(6 + 1)то

= 2№)}‘ S P(t-kx0-)dt.	(7.43)

^=0	/СТа

В (7.43) применим подстановку вида t— кт0= и. Тогда

Г* = 2{Р(то)Р5р(м)^м = 5р(м)^« £{Г(то)Л	(7.44)

k—О	о	о	4=0
Сумма в (7.41) представляет собой геометрическую прогрес-
сию с первым членом, равным единице, и знаменателем Р(т0).
Свертывая сумму, получим

^=[!wQ/[l-aTo)].	(7.45)

Выражение (7.45) представляет собой среднее время безотказ-
ной работы системы с профилактикой, определяемое через исход-
ный закон надежности P(t). Нахождение точного времени по (7.45)
предполагает вычисление определенного интеграла. Можно
получить практически более удобную формулу, если принять,
что вероятность безотказной работы системы за время про-
филактики Р(т0) близка к единице. Так как на интервале про-
филактики вероятность безотказной работы удовлетворяет соот-
ношению l>P(t)'>P (т0), то имеет место неравенство i:o^]P(t)dt^

Если вероятность Р(т0) близка к единице, то значение инте-
грала ^P(t)dt практически равно интервалу времени профи-
лактики т0 и тогда для среднего времени безотказной работы
системы с профилактикой

Г*=то/[1-Р(то)].	(7.46)

При этом относительная ошибка не превосходит значения
вероятности Q (т0) отказа системы за время т0. Среднее время
безотказной работы Т* избыточной системы с профилактикой
существенно зависит от интервала т времени профилактики.
Выражение (7.46) относительно аргумента т0 представляет собой
уравнение равнобочной гиперболы, график которой показан на
рис. 7.10. Из рисунка видно, что эффективность профилактики
различна на различных участках интервала т0. Так, при т0 >т£
влияние профилактики на надежность системы слабое, а при
т <7^—очень сильное. Следовательно, интервал времени профи-
лактики следует выбирать из соотношения т < То-

Восстановление во время про-
филактики в сильной степени
упрощает эксплуатацию избыточ-
ных систем, так как сразу после
возникновения корректируемого
отказа требует сложных и громоз-
дких систем аппаратурного контро-
ля и специальных конструкций
систем, позволяющих без наруше-
ния функционирования выводить
в ремонт отказавшее оборудование.
В связи с этим восстановление
в момент возникновения отказа
возможно лишь при высоких уров-
нях введения избыточности.

Рис. 7.10. График среднего времени
безотказной работы избыточной
системы с профилактикой
§ 7.4

ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ

Один из наиболее удобных и гибких методов введения избы-
точности в ЭВМ —применение корректирующих кодов. В некото-
торых условиях, например при кратковременных сеансах работы,
когда ресурсы надежности почти не расходуются, коррекция
сбоев, вызванных различного рода помехами, может иметь ре-
шающее значение для обеспечения нормального функциониро-
вания систем. Достоинства корректирующих кодов следующие:
а) исправление ошибок без перерывов в работе; б) способ коди-
рования и применяемый код выбираются в зависимости от алго-
ритма функционирования данного цифрового устройства, что дает
возможность согласования корректирующей способности кода со
статическими характеристиками потока ошибок устройства и
уменьшения избыточности, требуемой для коррекции ошибок;
в) использование корректирующих кодов позволяет учесть необ-
ходимость устранения влияния ошибок в устройстве последова-
тельно на всех этапах проектирования начиная с алгоритма
функционирования.

Избыточность может быть либо временной, либо пространст-
венной. Временная избыточность связана с увеличением времени ре-
шения задачи (в частном случае задача может быть решена, напри-
мер, дважды) и вводится программным путем, являясь основой про-
граммного способа обнаружения и исправления ошибок. Простран-
ственная избыточность заключается в удлинении кодов чисел, в
которые вводят дополнительные (контрольные) разряды.

Идея обнаружения и исправления ошибок с использованием
избыточности состоит в следующем. Все множество Ny выходных
слов устройства разбивают на подмножество Nya разрешенных
кодовых слов, т. е. таких слов, которые могут появиться в резуль-
тате правильного выполнения логических и арифметических
операций, и подмножество (Ny — Ny<t) запрещенных кодовых слов,
т. е. таких слов, которые могут появиться только в результате
ошибки. Появившееся на выходе устройства слово подвер-
гают анализу: если слово у7 относится к подмножеству разре-
шенных слов, то оно считается правильным результатом и деко-
дирующее устройство переводит его в соответствующее выход-
ное слово yOj; если же слово у,- оказывается элементом подмноже-
ства запрещенных слов, то это свидетельствует о наличии ошиб-
ки. Для исправления обнаруженных ошибок запрещенные кодо-
вые слова разбиваются на группы: каждому разрешенному кодо-
вому слову соответствует одна такая группа. При декодировании
обнаруженное на выходе устройства запрещенное кодовое слово
заменяется разрешенным словом, в группу которого оно входит.
Тем самым ошибка исправляется. При этом работа декодирую-
щего устройства усложняется.
Процесс построения корректирующего кода состоит из сле-
дующих этапов:

1	Этап 1—выявление наиболее вероятных ошибок для задан-
ного способа функционирования устройства или наиболее опас-
ных в условиях его использования.

Э тап 2 —формирование избыточного множества выходных
слов, разделение этого множества на подмножества разрешенных
и запрещенных кодовых слов и образование декодировочных
групп.

Э тап 3 —разработка рационального способа декодирования
выходных слов, позволяющего реализовать относительно неслож-
ными техническими средствами обнаружение и исправление обус-
ловленных ошибок.

Э т а п 4 — организация множества входных слов так, чтобы
заданное преобразование, выполненное над любым словом этого
множества, дало на выходе автомата слово, принадлежащее к под-
множеству разрешенных кодовых слов.

При построении ЭВМ, предназначенной для решения опреде-
ленного класса задач, важным вопросом является рациональный
выбор уровня, на котором следует применять корректирующий
код. Вычислительная машина, например, слагается из отдельных
устройств: запоминающего, арифметического, внешних и т.п., в
каждом из которых информация претерпевает определенные из-
менения. Эти устройства состоят из отдельных блоков — суммато-
ров, регистров и т. п., которые набраны из простейших логических
элементов (триггеров, схем И, ИЛИ,- НЕ и т. п.). Корректирующие
коды применяют на любом из этих уровней структуры машины.
Однако результаты при этом получают весьма различные. Может
оказаться, например, что корректировать ошибки в работе отдель-
ных логических схем значительно труднее, чем в работе суммато-
ра в целом. Далее, если контроль правильности и исправления
ошибок в работе отдельных блоков и устройств машины осущест-
вить сложно, то в некоторых случаях прохождение всей задачи
легко контролируется применением простейших принципов,
например путем повторного счета.

Коды с повторениями. Среди корректирующих кодов особое
место занимают коды с повторениями. Использование этих кодов
дает возможность обнаруживать и исправлять ошибки. Их можно
применять во всех без исключения случаях. При этом алгоритм
функционирования устройства может быть задан любым способом
и используется для реализации произвольного преобразования
информации. При применении кода с повторениями необходимая
избыточность создается многократным повторением одного и
того же слова на входе.

При правильной работе устройства слово на его выходе пред-
ставляет собой fc-кратное повторение слова yQj, являющегося ре-
зультатом правильного преобразования слова xq,. При отсутствии
ошибок любая из к частей слова может быть взята в качестве
результата. Задача декодирующего устройства в этом случае сво-
дится к выведению одной части слова уг

При наличии случайных ошибок некоторые из к частных ре-
зультатов, входящих в слово у7, отличаются от слова yOj. Сравни-
вая между собой Участей слова у,, можно выявить ошибки, если
число одинаковых ошибок меньше к. Сравнение £ частных резуль-
татов и выработку сигнала ошибки (при несовпадении их) выпол-
няет декодирующее устройство. Если вероятность ошибки в од-
ном частном преобразовании невелика и есть основания предпо-
лагать. что большая часть из к частных результатов верна, то
ошибки могут быть легко исправлены. Для этого достаточно при-
нять в качестве правильного результата то частное решение,
которое встречается в словах у7 большее количество раз. Если
определить полезный эффект от применения кода с повторения-
ми при получении г неверных частных результатов в слове у7, при
котором ошибка обнаруживается или исправляется, то можно
убедиться в справедливости следующих соотношений:

1)	для обнаружения всех ошибок кратности гОбН необходимо,
чтобы повторений было £=гОбн + 1;

2)	для исправления всех ошибок кратности гИСпР необходимо
число повторений £==2гИспр + 1.

Какой выигрыш в надежности дает применение кодов с повто-
рениями? Общего ответа на этот вопрос дать нельзя. Лишь для
одного частного случая вероятностных свойств автомата можно
сделать общие заключения об эффективности применения кодов
с повторениями. Пусть вероятностные свойства автомата описы-
ваются следующим образом: 1) вероятность получения правиль-
ного результата равна Р независимо от конкретного значения
входного слова х0/; 2) при, подаче на вход автомата входного
слова х0,- на его выходе с равной вероятностью q может быть полу-
чено любое ошибочное выходное слово, соответственно
9 = (1-Р)Жо-1).

Применим fc-кратное (к~ нечетное) повторение слов х0, на вхо-
де устройства. Декодирование слов у7, получаемых на выходе, бу-
дем выполнять по принципу большинства, полагая правильным
тот частный результат у0,, который в слове у. появился большее
число раз. Количество правильных частных результатов в к повто-
рениях обозначим S’.

При декодировании по большинству правильный результат
преобразования на выходе схемы (т. е. после декодирующего
устройства) получается, если:

1)	S^(k+ 1)/2 (при этом любой неверный частный результат
может появиться не более к— (к+ 1)/2 раз, так что при декодиро-
вании не может быть выдан ложный результат);

2)	S<(k+l)/2 (при этом ни один из возможных неверных
результатов в остальных к~S повторениях не появился S—1 раз).
Вероятность появления правильного частного результата точ-
но S' раз в к повторениях будет ( 5) Ps (1 — Р)к~$ . Вероятность
появления правильного частного результата не менее (к+ 1)/2 раз
равна S ( с }ps (1 — P)k~s .

S=(t+1)/24C> Z

Вероятность появления в оставшихся к— 8 повторениях како-
го-либо одного вероятного частного результата точно t раз равна
(‘;s )«'(!-/>-«Г5'.

Вероятность появления в оставшихся к— Sповторениях какого-
либо одного неверного частного результата не более S' — 1 раз будет

s-\ ,k — S4

f = 0 x	7

Вероятность того, что ни один из Nyo — 1 возможных неверных
решений не появится в k—S повторениях более S'—! раз, равна

s-i /ь_ S\

Таким образом, для вероятности Pz получения правильного
результата после декодирования можно записать:

Ps= 2 ( . >(1-Р)‘"5+ 2 ( - ) Ps(i-P)k-sx

S=(4+1)/2V	'	S=Smin+l '

x{(^-i)SS (k~s

Анализ этого выражения пока^^твает, что при P>q вероят-
ность Р% монотонно возрастает с ростом числа повторений к и при
Р£-*1. Это означает, что, выбирая достаточно большое
значение к, можно получить сколь угодно высокую надежность
преобразования информации.

Кроме положительных свойств коды с повторениями имеют
два существенных недостатка: 1) повышение надежности дости-
гается введением относительно очень большой информационной
избыточности; 2) коды с повторениями корректируют только слу-
чайные ошибки (сбои) в работе устройства. Если устройство
дает систематическую ошибку (отказ) при преобразовании вход-
ного слова х0(, то никаким количеством повторений эта ошибка
не может быть обнаружена или тем более исправлена.

Во многих случаях можно построить корректирующие коды,
обеспечивающие тот же эффект коррекции при значительно мень-
шей избыточности, чем коды с повторениями. Это относится к
классу преобразований, но в этих случаях выигрыш в избы-
точности получается очень существенным.

Коды Хэмминга. Более просто выполняются процессы
кодирования и декодирования в кодах Хэмминга. Они
характеризуются следующими основными чертами: все кодовые
слова имеют равную длину; все символы кодового слова четко
разделяются на информационные (переносящие информацию
и совпадающие с символами неизбыточного слова) и
проверочные (предназначенные для целей контроля и исправ-
ления); те и другие символы занимают вполне определен-
ные фиксированные позиции кодовых слов. Выбор про-
верочных символов (процесс кодирования), а также обнару-
жение и исправление ошибок (процесс декодирования)
осуществляются с помощью проверок на четность, т. е. под-
счетом по модулю 2.

В ЭВМ параллельного действия более вероятны одиночные
ошибки, обнаружение и исправление которых обычно
осуществляют с помощью кодов Хэмминга. Код с обнаруже-
нием однократной ошибки можно получить, прибавив к
неизбыточному кодовому слову один проверочный разряд.
Символ (0 или 1) в этом разряде выбирают из условия
четности числа единиц в полном (избыточном) кодовом
слове. Это означает, что сумма всех символов кодового
слова по модулю 2 должна быть равна нулю. Если пози-
ции кодового слова пронумеровать по порядку справа налево,
а символы, стоящие в этих позициях, обозначить xv хг,...
..., хЛо, х„„+1, то сформулированное выше условие можно
записать так:

*л.>+1 == *1 ® X? ®	® -^ло-1 ф ХПа> (

Е = Х| ф Х2 ® ... ® ХПо_। ф Хп„ -j- ХП()_р = 0. J

В этом случае подмножества разрешенных и запрещен-
ных кодовых слов делят полное множество У = 2',°+1 слов
на две равные части. Переход между ними осуществляют
изменением значения одного символа. Поэтому эти множества
можно поменять местами, т. е. формировать разрешенные
кодовые слова по принципу нечетности количества единиц
в слове.

Если в процессе преобразования информации возникает
любая однократная ошибка (в информационных или прове-
рочных символах), то условие (7.47) нарушается и ошибка
обнаруживается при проверке. Обнаруживаются также ошибки
и более высокой кратности, если кратность эта нечетна.
Размещение проверочного символа в кодовом слове роли
не играет. Обычно его ставят в конце слова после всех
информационных символов. Для построения кода, исправляю-
щего одиночные ошибки, необходимо организовать проверки
на четность так, чтобы непосредственно получить число,
указывающее номер позиции искаженного символа. Достига-
ется это тем, что контрольные суммы Е по модулю 2, полу-
чаемые в результате проверок (и являющиеся также двоич-
ными символами), записывают одну за другой: Е6...Е3Е2Е] —
и рассматривают как 6-разрядное двоичное число, обозначаю-
щее номер искаженной позиции. Это число называют контрольным.

Пусть неизбыточное кодовое слово состоит из п0 (инфор-
мационных) символов. Для построения кода с коррекцией
к ним добавляют к проверочных символов. Таким образом,
кодовое слово в корректирующем коде имеет п = п0 + к
позиций. Разрядность 6 контрольного числа, указывающего
номер позиции искаженного символа, должна быть доста-
точной, чтобы отобразить число, равное п. Исходя из этого
необходимое количество проверок 6 определяется неравенст-
вом (2 6 —1) > (п0 + к).

Число проверок 6 на четность не может быть больше
числа проверочных символов к, поскольку в противном случае
эти проверки не будут независимыми; следовательно, 6 = к.
Итак, количество необходимых добавочных символов кодового
слова к и одновременно количество необходимых прове-
рок 6 на четность можно найти из неравенства 2*—1 л?0 4-Аг
или 2к > и0 + к.

Определим позиции кодового слова, символы которых должны
принимать участие в каждой из к проверок. Если кодовое
слово не содержит ошибок, то контрольное двоичное число
должно изображать нуль. Если в младшем разряде контроль-
ного числа стоит единица, то это означает ошибку в одной
из тех позиций слов, номера которых в двоичной системе
счисления имеют единицу в младшем разряде. А это все
нечетные номера. Следовательно, первая проверка должна
охватывать все символы, стоящие на нечетных позициях:

Е\ == Х| ф л'з ф Хз ф х? ф ...	(7.48)

Единица во втором разряде контрольного числа означает
ошибку в одной из тех позиций, двоичные номера которых
(2, 3, 6, 7, 10, И, 14, 15 и т. д.) имеют единицу во втором
разряде.

Рассуждая подобным образом, можно записать для второй,
третьей, четвертой и к-й проверок, начинающихся с символа,

стоящего в М=2к 1 позиции,

Е? =%2 ф хз ф ха ф х? ф Хю Ф xi । ф ... ;	(7.49)

Ез = Х4 ф Хз ф Хб Ф Ху ф Х| 2 ф Х|3 ф Х|4 ф Х|5 ф Х20 ф...	(7.50)

Е] = Х$ ф Хд ф Х| о ф Х| I ф Х| 2 ф Х| 3 ф Х| 4 ф Х| 5 ф Х24 ф... J	(7.51 )

Е = Х|, ф хм4-1 ф ... ф Х2И-1 ф х3|1 ф Х3|1+1 ф ... ф Х4ц_। ф х-,и ф....	(7.52)

Далее остается выбрать в кодовом слове длиной п=п0+к
символов позиции, отводимые для информационных и про-
верочных символов. Для проверочных символов позиции следует
выбирать так, чтобы кодирование выполнялось возможно
более просто. Выделим в формулах (7.48) —(7.52) позиции,
встречающиеся только в одной проверке: 1, 2, 4, 6, 8, 16, .
т. е. позиции с номерами, являющимися целыми степенями
двойки. Если разместить проверочные символы в этих пози-
циях, то, приняв выражения (7.48)-(7.52) равными нулю, по-
лучим соотношения, реализуемые в процессе кодирования:

Х, = Х3®Л:5® Х7® ЭС2=Хз®Хб® X7®XI0 Ф%Ц ©..., Х4 = Х5ФХ6®
®X7®^12®X13®X14®X15 ФХ20Ф-, Х8 = Х9фХю Фхп ®Xi2®Xi3®
Х14ФХ15 ® *24®=*м + 1 ®... ®X2M-1®X3U Ф... фх4м-1 Ф х5и ф
... ФХбм-1 фх7ц ® ••• •

Для практической реализации кодов Хэмминга необходимо
разработать кодирующее устройство, определяющее значения
проверочных символов и размещающее их в соответствующих
позициях кодового слова, и декодирующее устройство, под-
считывающее контрольные суммы, выявляющее наличие ошибки,
определяющее номер позиции искаженного символа, автома-
тически исправляющее ошибку и выделяющее информа-
ционные символы кодового слова. Построение кодирующего
и декодирующего устройств существенно облегчается тем, что
суммирование ведется по модулю 2, номер позиции искажен-
ного символа получается непосредственно в двоичном коде
и исправление ошибки в этой позиции сводится к замене
символа на обратный.

Рассмотренные выше коды целесообразно применять в логи-
ческих устройствах и устройствак управления.

Арифметические коды. Для коррекции ошибок в устройст-
вах, выполняющих математические операции вычитания, сло-
жения и умножения, наиболее эффективными являются ариф-
метические коды, которые можно подразделить на коды:
а) обнаруживающие ошибки; б) исправляющие ошибки.

Идея построения арифметических кодов состоит в том,
что в их контрольных разрядах записывают остаток от деле-
ния исходного кодируемого числа на некоторое заранее
заданное целое число А. При этом все машинные числа
можно условно рассматривать как целые. Эти коды обнаружат
все ошибки, за исключением тех, которые кратны выбранному
модулю. Арифметичность кодов основана на том, что остаток
от деления на А суммы (произведения) должен быть равен
сумме (произведению) остатков от деления на А исходных
чисел, т. е. в этом случае есть прямая связь между контроль-
ными разрядами операндов и результатом операции.

Существует три способа кодирования чисел в арифметиче-
ских кодах.

Способ 1—нахождение остатка RN от деления заданного
числа N на выбранный модуль А. Например, А=1010, Л=3,
R(N) = 01, код 101001. Этот способ кодирования используют,
когда контрольные и информационные разряды обрабатываются
отдельно.
Способ 2 — выполнение следующих последовательных
операций: 1) задать число контрольных разрядов С; 2) умно-
жить заданное число N на 2е; 3) вычислить (2с N) modA;
4) сложить 2C7V с числом А (2е N) modA (в полученном резуль-
тате С младших разрядов являются контрольными). Например,
N= 10100, А=3, С=2, код 101010. Этот способ применяют,
когда сами числа должны обладать свойствами самоконтроли-
руемости.

Максимальное значение N для кодов, полученных первым
и вторым способами, определяется формулой W=2',-c—1, где
л.—число разрядов в кодовом слове, включая контрольные.

Способ 3—умножение заданного числа N на модуль А.
Это более эффективный способ кодирования слов, в нем
(2п-1~А)/А <N<(2n—l)/A.

В отличие от способов 1 и 2 кодирования способ 3 не имеет
отдельно расположенных информационных и контрольных
разрядов. При этом способе кодирования получение информа-
ционных разрядов возможно лишь после деления кодового
слова на модуль А. Необходимо отметить, что при построе-
нии арифметических устройств, использующих способ 3 коди-
рования, избегают постоянного умножения и деления чисел
на модуль А по мере прохождения их через сумматор.
Только при выводе данных из арифметических устройств
производят деление результатов на модуль А для получения
информационных символов.

Для организации контроля арифметических операций (сложе-
ния или умножения) в машинах помимо обычного арифмети-
ческого устройства для операндов нужно иметь дополнитель-
ное оборудование: а) сумматоры (умножители) для остатков
операндов; б) схему быстрого определения остатка от деления
суммы (произведения) на модуль А; в) схему сравнения суммы
(произведения) остатков операндов с остатком их суммы
(произведения).

Для характеристики ошибок, возникающих в арифметических
операциях, удобно ввести понятие числового значения ошиб-
ки еа, равного числу, на которое изменяется правильный
результат при возникновении данной ошибки. Параметр еа
может быть положительным и отрицательным и зависит от
вектора ошибки е, который использовался для описания ошибок
при передаче или логических преобразованиях информации.

Выбор параметра А в соответствии с числовым значением
тех ошибок, которые должны быть обнаружены, определяется
выражением вида

ea(mod4=/=0	(7.53)

для всех еа/ из перечня обнаруживаемых ошибок.

Выражению (7.53) могут соответствовать несколько значе-
ний параметра А. Поэтому на практике целесообразно выбрать
наименьший из них. Определение минимального значения
параметра А обычно достигается простым перебором всех
целых чисел.

Наибольшее практическое значение имеет обнаружение
однократных ошибок, не связанное с введением большой
избыточности. Экономичность преобразователя с обнаружением
однократных ошибок тем выше, чем больше разрядность
участвующих в операции двоичных чисел. Анализ (7.53)
показывает, что при обнаружении всех однократных ошибок
в арифметических операциях сложения, вычитания и умноже-
ния оптимальное значение параметра А равно трем, т. е.
достаточно двух проверочных двоичных символов независимо
от разрядности участвующих в операции чисел.

Коды Брауна. При реализации способа обнаружения
однократных ошибок большие трудности возникают при
создании устройств, определяющих остатки по модулю 3:
деление двоичных чисел на 3 приводит к существенному
недостатку —правильность выполнения операций сложения,
вычитания или умножения контролируется с помощью значи-
тельно более сложной операции деления. Устранить этот
недостаток можно использованием кодов Брауна, с помощью
которых обосновывается легко реализуемый аппаратурно способ
определения остатков от деления чисел, представленных в
двоичной системе счисления, на 3.

Идея кодов Брауна основана на положении, что остаток от
деления на 3 целого числа ц, представленного в двоичной
системе счисления кодовым словом х, равен разности числа
единиц в нечетных позициях числа х и числа единиц в
четных позициях: цшобЗ = (рнечет—учет )mod3, где унечет—вес
кодового слова, составленного из нечетных символов х; vw —
вес кодового слова, образованного четными символами.

Схема контроля по модулю 3 для 4-разрядного кодового
слова приведена на рис. 7.11.

Определить значения Лт|П при обнаружении двойных оши-
бок можно следующим образом:

По......................2

К.......................3

A min...................5

4	10	16	20	32	40

4	5	6	6	7	7

И	23	37	47	67	83

При выборе значения модуля А необходимо также учиты-
вать стоимость схем контроля; увеличение длины чисел;
увеличение времени, необходимого для выполнения арифмети-
ческих операций.

Если при выполнении арифметических операций произошла
ошибка, то для ее исправления необходимо выполнение двух
условий: 1) еа/тосЫ =£0 для всех еа/. из перечня ошибок,
Рис. 7.11. Схема контроля по mod 3- для 4-разрядного кодо-
вого слова

подлежащих исправлению; 2) еа, пкхЫ ^еа7 тосЫ для любой
пары неравных ошибок из общего перечня.

Параметр А для исправления всех однократных ошибок
выбирают точно так же, как и в случае обнаружения всех
двукратных ошибок, в частности приемлемы все данные,
приведенные выше.

Чтобы можно было исправить арифметическую ошибку,
нужно иметь корректирующий код с проверкой по модулю
dmin >3. Этого можно достичь, если производить контроль
по нескольким модулям. При этом необнаруживаемыми остают-
ся только ошибки, которые изменяют проверяемое число на
величину, кратную всем модулям. Способ обнаружения ошибок
состоит в следующем. Если ожидаемый и найденный сверт-
кой остатки не совпадают, то определяют их разность со
своим знаком и находят те разряды, искажение которых при-
водит к данной разности в остатках. Обычно таких разрядов
по одному модулю получают несколько. Затем такую же
процедуру производят и с остатками по второму модулю.
Далее все «подозрительные» разряды анализируют. Если найдут
разряд, «подозрительный» по первому и второму модулю,
то, очевидно, он и является ошибочным. Исправление произво-
дят сложением по модулю 2 содержимого ошибочного разряда
с единицей.

Равновесные коды. При передаче данных внутри
устройств ЭВМ, а также по каналам связи, в которых имеют
место асимметричные ошибки, большое распространение полу-
чили равновесные коды (при асимметричных ошибках имеют
место только переходы 0 -* 1 либо 1 -* 0). В равновесном коде
используют лишь слова, имеющие некоторое фиксированное
число единиц т в «-разрядном слове, поэтому они обнару-
живают асимметричные ошибки любой кратности. Существует
большое количество равновесных кодов т из «, в которых
общее число разрешенных кодовых слов N может быть
определено как N=n!/[m!(n-m!)]. Наибольшее распространение
получили равновесные коды «2 из 5», «4 из. 8», «2 из 7».

Рассмотрим применение кода «2 из 5» для контроля ра-
боты различных устройств ЭВМ:

Кодируемое слово Код «2 из 5» '

О	0	110	0

1	110 0	0

2	10	10	0

3	10	0	10

4	0	10	10

.5	0	0	1	1	0

6	1	0	0	0	1

7	0	1	0	0	1

8	0	0	1	0	1

9	0	0	0	1	1

Анализ этих данных показывает, что все двоичные слова
равновесного кода содержат две 1 и три 0. Следовательно,
работа схемы контроля может быть описана с помощью
функций алгебры логики: F(xv х2, х3, х4, x5)=V (3, 5, 6, 9,
10, 12, 17, 18, 20, 24).

На рис. 7.12 показана схема контроля для кода «2 из 5»,
построенная с использованием схем И и ИЛИ на два входа.

Недостаток равновесных кодов в том, что они не обнару-
живают ошибки, приводящие к одинаковому количеству пере-
ходов 0 “* 1 и 1-*0. Однако на практике вероятность появления
таких ошибок чрезвычайно мала.

Рис. 7.12. Схема контроля с использованием кода «2 из 5»
Введение структурной и информационной избыточности для
повышения надежности ЭВМ будет иметь низкую эффективность,
если при проектировании вычислительных машин нерациональ-
но решены вопросы конструирования различных узлов. Так,
при применении резервирования ограничения в габаритах и ве-
се могут привести к схемам (или другим функциональным
устройствам), в которых используются малогабаритные, менее
надежные элементы, размещаемые в располагаемом объеме.
При этих условиях надежность резервированной системы
может оказаться меньше, чем надежность нерезервированной
системы. Кроме того, вибрация или изменения температуры
могут вызвать выход из строя резервированных систем. При
этих условиях необходимо направить усилия конструктора на
защиту от перегрева, ослабление вибраций и ударов или на
другую защиту схемы или системы от воздействия окружаю-
щих условий.

Конструктор, стремящийся обеспечить высокую надеж-
ность ЭВМ, должен помнить, что чем проще конструкция,
тем выше надежность, стандартизация элементов также повы-
шает надежность ЭВМ, поскольку стандартные элементы и
схемы обычно проходят тщательную приработку и вероятность
появления каких-либо неприятных неожиданностей при их
использовании очень мала. Конструктор должен также проявлять
интерес к факторам инженерной психологии. Следует забо-
титься о том, чтобы неправильная сборка или неправильное
использование созданной конструкции были практически не-
возможны. Длина кабелей должна выбираться такой, чтобы
можно было соединить соответствующим разъемом только
нужный кабель; разъемы должны отличаться по размерам,
чтобы подходил разъем только соответствующего кабеля.
Если поставлено условие замены функционального узла, то
проблемы, связанные с удалением и заменой его малоквали-
фицированным персоналом в эксплуатационных условиях,
должны быть решены оптимальным образом.

Важное значение для повышения надежности ЭВМ имеют
обеспечиваемые конструкцией возможности проведения профи-
лактики и контроля. Разработчик функциональной схемы по
возможности должен выбирать так принцип действия и
схему устройства и его узлов, чтобы они могли быть под-
вергнуты полной неразрушающей функциональной проверке.

Один из методов повышения надежности ЭВМ —создание
облегченных условий эксплуатации. Этого можно добиться
путем обеспечения термостатирования или температурного
контроля, ослабления ударных нагрузок с помощью амортизации,
уменьшения влажности при транспортировке, хранении и
эксплуатации, применения в замкнутом объеме влагопоглоти-
телей и т. п. Несмотря на то что изменение окружающих
условий (обычно путем применения специальных контейнеров,
в которых поддерживаются требуемые условия) обходится
очень дорого и связано с дополнительными трудностями,
тем не менее оно представляет собой выход из положения
в тех случаях, когда невозможно найти приемлемое конструк-
тивное решение для обеспечения надежности при работе
во всем диапазоне предельных условий.

Другой метод конструирования, направленный на повы-
шение надежности, заключается в преднамеренном решении
конструктора не рассчитывать конструкцию на самые худшие
рабочие условия. Приняв такое решение, конструктор имеет
возможность использовать менее сложную конструкцию,
обладающую более высокой надежностью при всех, кроме
наихудших сочетаний, условиях. Вероятность столкнуться
с самыми худшими сочетаниями окружающих условий при
этом статистически весьма мала.

Эффективный метод повышения надежности —проявление
внимания ко всем случаям отказов и неувязкам в конструк-
ции, сведения о которых поступают из отчетов о разработ-
ке, конструктивного анализа, формальных программ испыта-
ний, отчетов о неисправностях и отказах при эксплуатации
и материалов исследований причин отказов. Оперативные
эффективные корректировочные меры могут в значительной
степени повысить надежность.

Задания для самопроверки

1.	Что определяет вероятность безотказной работы ЭВМ?

2.	Какие виды отказов имеют место в ЭВМ и какова их природа?

3.	Что определяет интенсивность отказов изделий?

4.	Какие законы изменения вероятности безотказной работы примени-
мы для ЭВМ?

5.	Дайте определение параметра потока отказов и параметра потока
восстановлений.

6.	Каким образом производится учет условий эксплуатации ЭВМ при
расчете ее надежности?

7.	Опишите уравнением логику работы порогового элемента.

8.	При каких условиях пороговый элемент преобразуется в мажори-
тарный?

9.	Какие существуют методы резервирования?

10.	Поясните роль профилактики в повышении надежности ЭВМ.

11.	Какие информационные методы повышения надежности ЭВМ обла-
дают временной и пространственной избыточностью?

12.	Какой выигрыш в надежности дает применение кодов с повто-
рениями?

13.	Поясните сущность контроля по четности.

14.	Как в коде Хемминга образуется код номера позиции, в которой
произошел сбой?

15.	Поясните достоинства и недостатки равновесных кодов.
ГЛАВА 8

ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР И ЕГО ВЛИЯНИЕ
НА КОНСТРУКЦИЮ ЭВМ И СИСТЕМ

Взаимодействие человека с вычислительной аппаратурой связано с вы-
полнением следующих функций: а) избирательного выбора и приема ин-
формации; б) переработки информации; в) принятия решения; г) выпол-
нения физических действий на основе принятых решений; д) проверки
результатов путем принятия новой информации. Человек-оператор осуще-
ствляет эти функции с помощью органов чувств и центральной нервной
системы. Их правильный учет необходим как при проектировании общей
компоновочной схемы микроэлектронной вычислительной машины, так и
(в особенности) при конструировании пульта и органов управления ее ра-
ботой. Особое внимание при конструировании вычислительной аппаратуры
следует уделять также художественному оформлению машины, улучшающему
ее эстетическое восприятие.

§ 8.1

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

КАК ЗВЕНА В ЕДИНОЙ СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕК - МАШИНА

Рассматривая любую законченную ЭВМ или систему, всегда
можно выделить в качестве самостоятельного замыкающего,
интегрирующего звена человека-оператора, определяющего весь
процесс выполнения вычислений, ввода и получения информа-
ции и осуществляющего контроль за ходом вычислений и
правильностью функционирования машины. Поэтому человека-
оператора и ЭВМ можно рассматривать в виде двухзвенной
системы с прямыми и обратными связями, требующими опти-
мального согласования. В случае управляющей машины сис-
тема дополняется третьим звеном — объектом управления, также
связанным с человеком-оператором и фашиной прямыми и
обратными связями. Даже для машины, эксплуатируемой без
участия человека (например, машины, устанавливаемой на
борту ракеты), необходимо учитывать влияние человека-опера-
тора на этапах изготовления, настройки и контроля ее рабо-
тоспособности.

При взаимодействии с ЭВМ на человека-оператора воздей-
ствуют различные силы, несущие информацию. Восприятие
информации человеком производится с помощью органов
чувств, являющихся для него «входом». «Выходом» для чело-
века служат его органы речи и двигательные реакции, кото-
рые также несут в себе определенное количество информации.
Поэтому человек-оператор может быть представлен в виде
сложной системы, предназначенной для приема, переработки
и выдачи информации и охваченной обратными связями
(рис. 8.1). Каждый из блоков системы человек — оператор харак-
теризуется двумя важнейшими параметрами: временем реакции т,
и вероятностью получения правильного результата Р. Правомер-
ность принятия Р, для каждого из блоков (так же как и в
целом для человека) связана с тем, что, во-первых, инфор-

Рис. 8.1. Место человека-оператора в управляющей системе:
/—приемное устройство ( Ti, ft); //—решающие системы ( та, ft);
///—выходные устройства ( тз, ft)

мация, получаемая человеком, не всегда может быть исчер-
пывающей, во-вторых, она по-разному воспринимается людьми
и, в-третьих, целенаправленные действия человека не всегда
выполняются безошибочно.

Сумма времен реакций т, каждого из блоков составляет
общее время сенсомоторной реакции — это выполнение опре-
деленного вида движения (например, нажатие кнопки) в ответ
на внезапно появляющийся сигнал с максимально возможной
для человека скоростью. Для упрощения принято, что время
задержки в этом случае складывается из латентного периода
реакции (времени от момента появления сигнала до начала
ответного действия) и длительности моторного действия (вре-
мени ответного действия). Экспериментально доказано, что
латентный период зависит главным образом от того, на какой
анализатор (орган чувств) воздействует сигнал-раздражитель.
В табл. 8.1 приведены средние величины латентного периода

Таблица 8.1

Анализатор (качество сигнала-раздражителя)	Латентный период, с
Тактильный (прикосновение)  Слуховой (звук)  Зрительный (свет)  Обонятельный (запах)  Температурный (тепло — холод) Болевой  Вестибулярный аппарат	0,09-0,22 0,12-0,18 0,15-0,22 0,31-0,39 0,28-1,6  0,13-0,89 0,4-0,8
при воздействии раздражителей средней интенсивности на

различные анализаторы.

Из таблицы видно, что для анализаторов, характерных при
работе человека с вычислительной аппаратурой, — тактильного,
слухового и зрительного —латентный период не превосходит
0,22 с. Длительность моторного действия труднее поддается
изменению, так как зависит от многих случайных факторов
(места нахождения человека-оператора в момент приема ин-
формации, его позы, степени усталости и т. д., формы пульта
управления, расположения органов управления, уровня образо-
вания и опыта работы человека-оператора и т. д.). Большинство
этих параметров трудно оценить численно, поэтому длитель-
ность моторного действия определяется статистически на мо-
делях или макетах тех или иных устройств с участием че-

ловека.

Важным параметром, характеризующим способность человека
воспринимать поступающую информацию, является его про-
пускная способность или скорость переработки информации,
выражаемая в битах в секунду (бит — мера количества инфор-
мации). Установлено, что максимальная пропускная способ-
ность человека не превышает 40 бит/с, а номинальная про-
пускная способность составляет 2—6 бит/с (для сравнения
укажем, что пропускная способность телевизионного канала
З Ю4 бит/с, телетайпного канала —60 бит/с). Пропускная спо-
собность человека-оператора связана с темпом (скоростью)
поступления информации от машины. Эту связь можно оценить
с помощью графика, данного на рис. 8.2, где 7 — перегрузки,
2 —нормальная работа, 3 — затухание активности. Низкий темп
подачи входной информации (сравнимый с посторонними, ме-

шающими сигналами)
проявляется в падении
активности человека-опе-
ратора (его «засыпании»).
Высокий темп подачи
входной информации
приводит к резкому росту
ошибок и отказу чело-
века-оператора от выпол-
нения задачи. Пропуск-
ная способность чело-
века-оператора зависит
также от условий работы
и от того, насколько пол-
но соответствуют эти
условия психофизиоло-
гическим и антропомет-
рическим характеристи-

Рис. 8.2. Зависимость пропускной способ-
ности (П) человека от скорости поступления
информации
кам человеческого организма. Знание этих характеристик поз-
воляет правильно проектировать различные узлы ЭВМ, что
значительно облегчает ее эксплуатацию.

Зрение. Посредством зрения человек имеет возможность
воспринимать форму, цвет, яркость и движение. Подсчитано,
что 80% знаний человек получает с помощью органа зрения.
Способность человека воспринимать информацию зрением ха-
рактеризуется полем зрения обоих глаз, остротой зрения,
аккомодацией, адаптацией, конвергенцией и цветовым вос-
приятием.

Поля зрения обоих глаз при неподвижном положении го-
ловы представлены на рис. 8.3. Очевидно, что при поворотах
головы и ее наклоне углы обзоров значительно увеличиваются.
Еще большее увеличение обзора происходит при повороте
туловища. Концентрация внимания снижает угол эффективной
видимости до величины 30° в горизонтальной и вертикальной
плоскостях.

Острота зрения, или разрешающая способность, —свойство
глаза обнаруживать малые объекты и различать тонкие детали.
Это свойство сильно меняется в зависимости от вида объекта,
спектрального распределения энергии излучения, освещенности
фона, контраста между объектом и фоном, продолжительности

Рис. 8.3. Поля зрения глаз человека

действия зрительных стиму-
лов и некоторых других фак-
торов. Для движущихся объ-
ектов острота зрения зависит
от скорости движения объ-
ектов.

Остроту зрения выража-
ют в единицах, обратных
углу зрения. Порог восприя-
тия минимальных движений
в угловых единицах составля-
ет: на свету при наличии
неподвижных объектов—0'21"
в секунду, в темноте без не-
подвижных предметов —1'15"—
— Г55" в секунду.

Аккомодация — процесс фо-
кусирования хрусталика глаза
на близкие или далекие пред-
меты. С возрастом хрусталик
глаза теряет свою эластич-
ность. Например, если глаз
ребенка способен аккомоди-
роваться к предмету на рас-
стоянии 60 мм, то глаз взрос-
лого человека в возрасте 20 лет аккомодируется к предме-
там на расстоянии 100 мм, в возрасте 40 лет —220 мм, в воз-
расте 60 лет—1000 мм. Объекты, расположенные на расстоянии
порядка 6 м и далее от наблюдателя, находятся для глаза
в оптической бесконечности, и фокусирование на эти объекты
не требует аккомодации.

Адаптация — изменение чувствительности глаза в зависимости
от воздействия на него раздраж-ителей. Приспособление глаза
к темноте называют темновой адаптацией. -При переходе из
светлого помещения в темное через час пребывания в тем-
ноте чувствительность глаза увеличивается в десятки тысяч
раз. Для приспособления глаза к темноте требуется примерно
20 мин.

Конвергенция — нацеливание глаз на одну точку с помощью
совместного действия глазных мышц и хрусталика. Среднее
время, необходимое для нацеливания глаз и их фокусировки
на новую точку, смещенную на некоторое расстояние, равно
~ 165 мс. При чтении это время составляет около 20 мс.

Цветовое восприятие глаза заключается в способности его
различать цвета по цветному тону, насыщенности и контраст-
ности с фоном. Нормальное цветовое зрение называют три-
хроматическим (трехцветным), так как любой из 160 разли-
чаемых человеком цветовых тонов можно получить в виде
смеси трех первичных цветов: красного, синего, зеленого. На
способность распознавать цвета большое влияние оказывает
контрастность (разность яркостей объекта и фона). Различают
контрастность прямую (объект темнее фона) и обратную
(объект ярче фона). Численно контрастность можно оценить
по формуле

К = [(5Ф-Во)/ЗДЮО% при Вф>До,

где 5ф,/?0 — соответственно яркости фона и объекта.

Рекомендуемая зона величины контрастности от 65 до 95%.
Оптимальная контрастность от 85 до 90% (для длительной
работы). Между яркостью и освещенностью существует сле-
дующая зависимость:

В — цЕ/л,

где В — яркость, кд/м2; о — коэффициент отражения поверх-
ности; Е— освещенность, лк.

В табл. 8.2 приведены значения коэффициентов отражения
для различных цветов поверхности.

Цветовое восприятие объекта глазом зависит также от того,
на какой цвет был обращен взгляд до момента наблюдения.
В табл. 8.3 приведены кажущиеся цвета при переносе взгляда
, от одного объекта к другому. При работе с устройствами
визуального отображения информации, использующих электрон-
но-лучевые трубки, в которых светлые знаки располагаются
Таблица 8.2

Цвет поверхности	Коэффициент отражения р	Цвет поверхности	Коэффициент отражения р
Белый	0,85	Зеленый:	
Желтый:		светлый	0,65
светлый	0,75	средний	0,52
средний	0,65	темный	0,07
Серый:		Синий:	
светлый	0,75	светлый	0,55
средний	0,55	средний	0,35
темный	0,30	темный	0,08
		Красный темный	0,13
		Коричневый	0,10

Таблица 8.3

Цвет по- верхности, на кото- рую глаз смотрел раньше	Цвет поверхности, на которую переносизся взгляд					
	красный	желтый	зеленый	синий	фиолето- вый	белый
	Цвет поверхности, видимый сразу после переноса взгляда					
Красный  Желтый  Зеленый  Синий  Фиолето- вый	Грязно- красный  Пурпур- ный  Насы- щенно- красный Оранже- вый  Оранже- вый	Зеленова- то-желтый  Серовато- желтый .  Оранже- вый  Насыщен- но-лимон- но-зеле- ный Насыщен- но-лимон- но-желтый	Насыщен- но-зеле- ный  Г олубова- то-зеленый  Серовато- зеленый  Желтова- то-зеленый  Желтова- то-зеленый	Голубой  Насыщен- но-синий  Фиоле- товый  Серова- то-синий  Г олубо- вато-си- ний	Синий  Насы- щенно- фиоле- товый Пурпур- ный  Пурпур- ный  Серова- то-фио- летовый	Изумруд- но-зеле- ный Фиолето- вый  Пурпурно- красный  Оранже- вый  Зеленова- то-желтый

на темном фоне, рабочий диапазон контрастности лежит в
пределах 65—94% и зависит от размеров знаков. Для знаков
размером 35—40' величина контраста должна быть от 65 до
80%, для меньших размеров —70—85%. Критическая частота
мельканий (смена кадров), которую еще способен различать
глаз, зависит от яркости. Например, при яркости 30, НО, 250,
360 кд/м2 частота мельканий должна быть соответственно
равной 40, 45, 47, 49 Гц. Важно для глаза также соотношение
между светлой и темной фазами (по аналогии с импульсной
техникой скважность световых сигналов). Для привлечения
внимания (например, аварийная или предупредительная сигна-
лизация) рекомендуется использовать частоту сигналов 3—6 Гц
с длительностью вспышек 50 мс.

Слух. С помощью слуховых ощущений человек-оператор
воспринимает звуковые колебания от источников звука. Слух
здорового человека способен воспринимать звуковые частоты
16—20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 16 Гц называют инфра-
звуками, выше 20000 Гц — ультразвуками. Степень восприятия
звука ухом человека зависит от уровня громкости и условий
восприятия. Громкость —субъективный аналог интенсивности
звука, выражаемой в единицах звуковой энергии (Вт/см2) или
в относительных единицах (Б). Минимальное значение зву-
кового давления, необходимого для того, чтобы звук был
слышен, называют порогом слышимости. Самый громкий звук,
который ухо воспринимает без болевых ощущений, в несколько
миллиардов раз больше порога слышимости. Ухо способно
воспринимать уровень громкости до 60 дБ без ущерба для
слухового аппарата. Более интенсивные звуковые воздействия
ведут к болевым ощущениям и даже к повреждениям органов
слуха. В табл. 8.4 приведена субъективная оценка действия
звука различной интенсивности на человека.

Таблица 8.4

Уровень звука, дБ	Сила звука, Вт/см2	Субъективная оценка действия шума на человека
0	Ю-16	Порог слышимости
80	10-в	Шум заметен
90	ю-7	Шум беспокоит, разговор требует повышенно-
		го голоса
100	10-6	Шум мешает
1 10	10-5	Разговор невозможен
120	10-4	Шум подавляет и раздражает
130	Ю-з	Болевые ощущения

Громкость звука зависит от частоты (рис. 8.4). Отметим, что
интенсивность звука является функцией частоты до уровня
громкости 90 дБ. Для больших уровней громкости эта зави-
симость исчезает.

Важная характеристика звука — его длительность, выражаемая
в секундах или долях секунды, поскольку короткие звуки
(менее 0,15 с) воспринимаются иначе, чем длительные. Мак-
симальная громкость, достигаемая обычно на 0,5 с, при увели-
16*
Рис. 8.4. График зависимости громкости звука
(Г) от частоты

чении этого времени может несколько уменьшиться за счет
адаптации уха на звук.

Тактильная чувствительность человека. Тактильная чувстви-
тельность—это способность человека воспринимать механиче-
ские раздражения кожй через нервные окончания, располо-
женные у ее поверхности. При легком касании к предмету
появляется чувство прикосновения, при более сильном —давле-
ния, при очень сильном —боли. Кожа ладоней рук и кончиков
пальцев относится к числу наиболее восприимчивых к внешним
механическим раздражениям участков тела человека. Как и
другие органы чувств, тактильная чувствительность зависит
от ряда объективных и субъективных факторов. Так, она
повышается при нагревании кожи и уменьшается при ее
охлаждении. При продолжительной неизменной стимуляции
тактильная чувствительность может адаптироваться к опреде-
ленным раздражителям. В этом случае характерные ощущения
не возникают.

При конструировании пульта управления и рабочего места
человека-оператора кроме характеристик органов чувств необ-
ходимо знать антропометрические данные человека. Эти дан-
ные зависят от пола людей, их возраста и профессии. Антро-
пометрические данные, полученные при обмерах населения
Москвы (в 1966 г.)—мужчин и женщин в возрасте от 20
до 59 лет, приведены в табл. 8.5, где М~ средние значения
данных, а о —среднеквадратичные отклонения.

Так как для правильной компоновки ЭВМ необходимо
учитывать также возможности двигательного аппарата чело-
века, которые зависят от возраста, пола и общей консти-
туции организма, а точный учет этого практически невозмо-
жен, то приведенные в таблице данные относятся к чело-
Таблица 8.5

Антропометрический признак	Мужчины		Женщины	
	М, мм	о, мм	Л/, мм	о, мм
Положение стоя				
Рост	1680	58	1567	57
Длина тела с вытянутой рукой	2138	84	1981	76
Ширина плеч	446	21	418	24
Длина руки, вытянутой в сторону	723	33	661	30
Длина руки со сжатым кулаком	622	30	568	26
Длина плеча	327	17	302	16
Ширина расставленных ног	826	72	726	72
Длина руки, вытянутой вперед	743	33	686	31
Высота плечевой точки	1373	55	1281	52
Высота пальцевой точки	619	33	584	36
Длина ноги	901	43	835	41
Ширина колен	230	18	226	18
Высота глаз	1559	58	1458	55
Высота сосковой точки груди	1213	51	—	—
Высота линии талии	1035	47	976	43
Положение сидя				
Высота тела	1309	43	1211	45
Высота глаз	1180	43	1095	45
Локтевая ширина	448	32	452	44
Наибольший диаметр бедер	344	21	388	31
Высота от подошвы до сиденья	422	22	370	22
Высота глаз над сиденьем	769	. 30	725	28
Высота локтя над полом	654	33	605	35
Высота плеча над сиденьем	386	27	560	27 
Высота локтя над сиденьем	232	25	235	25
Высота колена	506	24	467	24
Предплечье — кисть	465	21	427	18
Длина бедер	590	27	568	28
Длина вытянутой вперед ноги	1042	48	983	47
Диаметр бедра	135	12	142	13
Поясничный диаметр	231	28	255	40

веку, имеющему рост 168 см, массу 68 кг. Известно, что
каждый антропометрический признак как случайная величина

распределен по нормальному закону. Поэтому в интервал
величин Л/±Зо укладывается 99,7% всех признаков. Как
видно из таблицы, разброс показателей антропометрических
признаков довольно большой, что усложняет задачу конст-
руктора при проектировании ЭВМ. Значения антропометри-
ческих данных различны в различных странах. Так, средний
рост мужчин в США 175,7 см, Франции—175 см, Англии
и Германии—172,5 см, Японии—163,5 см. Среднеквадратич-
ные отклонения антропометрических признаков для различных
стран имеют тенденцию к постоянству.

Так как человек-оператор, работая на ЭВМ, большинство
манипуляций производит руками, то остановимся на пре-
дельных возможностях этого двигательного элемента. Руки
быстрее движутся по горизонтали, чем по вертикали. Правой
рукой удобнее двигать в горизонтальной плоскости против
часовой стрелки, левой —по часовой стрелке. Прерывистое
движение совершается медленнее, чем непрерывное. Плав-
ность движения рук как в горизонтальной, так и в верти-
кальной плоскостях нарушается вследствие их дрожания.
Наименьшее дрожание соответствует углу перемещения 135
и 315°. Время реакции движения руки на какой-либо внеш-
ний раздражатель зависит от возраста человека и имеет
среднюю величину 0,2—0,3 с. Диапазоны движения рук в
различных плоскостях ограничены: в плоскости тела —от
0 до +130° (первоначально руки опущены вдоль туловища);
перпендикулярно плоскости тела—от -30 до +170° (перво-
начально руки опущены вниз, ладони параллельны плоскости
тела); в горизонтальной плоскости —от -40 до +140°
(первоначально руки вытянуты в' стороны на уровне плеч
в плоскости тела, ладони повернуты вниз). Кисть в плоскости
ладони может поворачиваться на ±10°, в перпендикулярной
плоскости —на -80° (в сторону ладони) и на +40° в проти-
воположную сторону. Диаметр пальцев от 15 до 20 мм.

Усилие, развиваемое руками, различно при различных
положениях: мгновенная сила притяжения к корпусу двумя
руками может быть до 1000 Н, статическое усилие в этом
же направлении —до 300 Н; сила разгибания руки в крайних
положениях —до 60 Н, согнутой под прямым углом—14 Н;
мгновенная сила сжатия кистью — максимум 45 Н, статическое
усилие сжатия —12—15 Н. Мышечная сила у человека дости-
гает максимума приблизительно к 25 годам, в возрасте
между 30 и 65 годами она спадает на 50%, сила рук при
этом уменьшается на 20%.

§ 8.2

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА.
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПУЛЬТОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭВМ

Планировка и организация рабочего места оператора долж-
ны прежде всего основываться на учете антропометрических
и психофизиологических данных людей, которые будут
пользоваться разрабатываемым вычислительным оборудова-
нием. Кроме того, перед конструированием пультов управле-
ния и размещением оборудования, входящего в состав ЭВМ,
требуется установить: а) основные ограничения на размеще-
ние оборудования, изложенные в ТЗ, исходя из специфи-
ки ЭВМ и условий ее эксплуатации; б) какие элементы,
узлы, блоки, органы контроля и управления должны быть
доступны оператору при обслуживании машины; в) какие
необходимы зрительные и звуковые информационные указа-
тели; г) каковы внешние условия эксплуатации (температура,
освещение, шум и т. д.) и др. Определив эти данные,
конструктор-разработчик ЭВМ устанавливает рабочую зону
человека-оператора на каждом рабочем месте, предназначен-
ном для обслуживания и эксплуатации машины, проектирует
рабочее место, размещает органы управления и индикации,
конструирует кресло оператора, определяет предельные усло-
вия работы.

Организация рабочего места. Рабочие зоны в зависимости
от положения человека-оператора делят на зоны для работы
стоя и работы сидя. В специальных случаях (в скоростных
самолетах, космических объектах и т. п.) человек-оператор
может работать полусидя, полулежа, лежа, зона расположе-
ния органов управления в этих случаях ограничена и в
основном определяется не вычислительной аппаратурой, а
всем комплексом средств управления движущимся объектом.
Поэтому требования к конструкции пульта управления
таких машин сводятся лишь к правильному расположению
органов управления и индикации и их конструктивному
оформлению, отвечающему требованиям эргономики и эсте-
тики.

Для оператора, обслуживающего стационарную ЭВМ, в по-
нятие рабочих мест входят центральный пуль управления
машиной, пульты управления отдельными устройствами,
расположенными в шкафах (стойках), и сами шкафы (стойки)
при поиске и устранении неисправностей. Работая за
центральным пультом управления, оператор находится в
положении сидя, во всех остальных случаях (за редким
исключением) оператор работает стоя.

При конструировании рабочего места у шкафов ЭВМ для
работы стоя все пределы досягаемости и максимальное
поле зрения должны приниматься из расчета нормальной
работы оператора низкого роста. В этом случае высокий
человек легко достанет любой орган управления. Если же
рабочее место представляет собой закрытое помещение, то
его нужно проектировать под оператора высокого роста.
Тогда люди среднего и низкого роста будут чувствовать се-
бя в таком помещении достаточно комфортабельно.

По высоте рабочую зону для работы стоя делят на сле-
дующие подзоны (рис. 8.5): нижняя неудобная (рис. 8.5, а) —
0—50 см от пола; нижняя менее удобная (рис. 8.5, б) —
до 85 см; удобная (рис. 8.5, в) —до 105 см; верхняя менее
Рис. 8.5. Разбиение рабочей зоны при
работе оператора стоя на подзоны

удобная (рис. 8.5, г) —до 170 см;
верхняя неудобная (рис. 8.5, д')-
170—200 см. Поэтому высоту сто-
ек (шкафов) не рекомендуется
выполнять более 170 см. Так,
для устройства ЕС ЭВМ, разме-
щаемых в стойках, рекоменду-
емая высота 160 см. Высоту
более 170 см следует применять

в крайних, технически обоснованных случаях. Важным для
работы стоя являются пределы досягаемости рук до органов
управления и обзора, необходимость поворота головы или
наклона туловища. Пределы обзора при неподвижном поло-
жении головы приведены на рис. 8.3. На рис. 8.6 показаны

зоны досягаемости рук и рекомендуемые, исходя из их раз-
меров, места расположения органов управления и индикации.
Как видно из рис. 8.6, зона досягаемости рук представляет

135

Рис. 8.6. Зоны досягаемости рук и рекомендуемые места
расположения органов управления и индикации при рабо-
те оператора стоя:

Л — рабочее пространство; Б— оптимальная зона для зритель-
ного наблюдения; В — оптимальная зона для размещения органов
управления; Г— зона удобного размещения устройств, об-
служиваемых руками

собой эллипс с вертикальной осью 100 см и горизонтальной
осью 135 см. Это не максимальные пределы досягаемости
рук, а пределы, учитывающие осуществление движений руками
в различных направлениях с обеспечением достаточных уси-
лий.

Примерная организация рабочего места человека-оператора
при обслуживании стоек (шкафов), установленных параллель-
Рис. 8.7. Примерная организация рабочего места
человека-оператора при обслуживании шкафов

но неподвижной стенке, приведена на рис. 8.7, где 1 —
человек-оператор, 2— измерительный прибор (например,
осциллограф), 3— стойка (шкаф) ЭВМ.

Работа стоя более утомительна для человека, чем работа
сидя. Так, если при прямой позе сидя принять работу тела
равной единице (условно), то при прямой позе стоя мышеч-
ная работа возрастает в 1,6 раза, при наклонной позе
сидя —в 4 раза, а при наклонной позе стоя —в 10 раз.

Зоны досягаемости рук и зоны обзора человека-оператора,
работающего в положении сидя, представлены на рис. 8.8.
Участки А}, А2 и Б образуют зону основных движений, в
которой для проведения манипуляций руками не требуется
поворота туловища (обзор участков А} и Л2 не требует по-
ворота головы, для обзора участков Б требуется легкий по-
ворот головы). Участки В и Г образуют зону вспомогательных
движений. Для проведения манипуляций руками на участках В
требуется движение всей руки, а на участках Г—поворот
туловища. Обзор этих участков осуществляется поворотом
головы и туловища. Очевидно, что для удобства работы
оператора органы управления следует по возможности распо-
лагать на участках Ау, А2 и Б, а элементы индикации —на
участках А} и А7.
Рис. 8.8. Зоны досягаемости рук операто-
ра и зоны обзора при работе сидя

Рис. 8.9. Конструкция пульта управ-
ления:

А — зона для наблюдения важных средств
отображения; Б— зона для органов
управления

Положение человека-оператора сидя предопределяет форму
пульта управления, размеры которого должны отвечать всем
эргономическим требованиям. На рис. 8.9 представлен чертеж
пульта управления, который может быть рекомендован для
использования в стационарных ЭВМ. Рабочая поверхность
пульта, обращенная к оператору, состоит из трех частей.
Первая, горизонтальная, предназначена для того, чтобы оператор
во время работы мог производить записи. Размер в глубину
этой части не должен превышать 400 мм. Вторая часть,
плоскость которой наклонена к линии горизонта под углом 15°,
предназначена для установки органов управления (кнопок,
тумблеров, клавиш и т. п.). Эту часть располагают в зоне,
наиболее доступной рукам. Третья часть, плоскость которой
почти вертикальна (10° от вертикали), предназначена для уста-
новки элементов индикации. Эту часть располагают в зоне
обзора глаз, не требующей поворота головы. В нижней части
пульта необходимо предусмотреть пространство для ног. Ре-
комендуемые размеры этого пространства следующие: в глу-
бину—480—550 мм; в ширину — 450—600 мм; по высоте —615—
650 мм.

При конструировании и компоновке пульта управления
следует придерживаться следующих общих правил: а) коли-
чество переключателей, приводимых в действие оператором,
должно быть минимально возможным; б) количество и траек-
тории движения рук оператора должны быть сведены к ми-
нимуму; сами движения свести к движениям предплечья,
кисти рук и реже —движения всей рукой; в) при работе двумя
руками следует стремиться к тому, чтобы движения оператора
были симметричны и синхронны.
Органы ручного управле-
ния, индикации и сигнали-
зации следует располагать
так, чтобы: а) оператору
не приходилось скрещивать
или менять руки; б) удобно
было считывать показания
приборов и пользоваться
одновременно органами уп-
равления; в) разделить функ-

ции, выполняемые правой и

левой руками В отдельности; ^ис- $-10. Конструкция кресла оператора
г) наиболее часто исполь-

зуемые и аварийные органы управления и индикации разме-
щались в зонах наибольшей доступности и обзора (см. рис. 8.8).

При размещении за пультом управления двух операторов
ширина рабочего места каждого из них должна быть 800—
1000 мм.

Большое значение для удобной работы человека-оператора
имеет правильный выбор формы и размеров рабочего кресла.
Рекомендуется выполнять его передвижным с регулируемым
по высоте сиденьем и регулируемым углом наклона спинки
(5—30°), обязательно наличие подлокотников. На рис. 8.10
приведены чертеж кресла оператора и рекомендуемые его
размеры. Кресло имеет возможность передвижения на роли-
ках и регулировки сиденья (вместе со спинкой) на высоту
520—560 мм. Такая форма и конструкция кресла наиболее
удобна при длительной работе на ЭВМ.

Серьезное внимание следует уделять конструированию
устройств визуального отображения информации (например,
дисплеям), получающим все большее распространение. Здесь
следует учитывать как антропометрические данные человека,
так и особенности работы с электронно-лучевыми трубками.
На рис. 8.11 показаны рекомендуемые величины углов, под

Рис. 8.11. Рабочее место оператора при работе с устройствами
визуального отображения информации
которыми следует располагать электронно-лучевые трубки в
устройствах визуального отображения информации. Для работы
только стоя (рис. 8.11, а) этот угол должен составлять 30°,
для работы как сидя, так и стоя (рис. 8.11,6)—45°, для работы
только сидя (рис. 8.11,в)— 60°. В этих случаях поверхность
трубки становится перпендикулярной линии зрения оператора.
Здесь же приведены основные размеры по высоте располо-
жения трубок и сиденья оператора, соответствующие антропо-
метрическим показателям почти 90% мужского населения. Для
удобства эксплуатации устройства с электронно-лучевыми труб-
ками рекомендуется выполнять вращающимися вокруг верти-
кальной оси.

Конструктивные требования к органам управления и инди-
кации. При конструировании и подборе органов управления
и индикации* приходится учитывать ряд важных факторов,
влияющих на общую эффективность действий оператора: раз-
меры, форму, цвет, расположение, направление и усилие пе-
реключения, амплитуду и траекторию перемещения органов
управления.

Органы управления в ЭВМ— тумблеры, кнопки, клавиши,
органы индикации в ЭВМ —ламповые панели, сигнальные
фонари, и т. п. (см. гл. 3). Остановимся на некоторых тре-
бованиях, предъявляемых к органам управления и индикации
и их расположению на панелях управления.

Кнопки — наиболее распространенные элементы управления ра-
ботой ЭВМ —имеют круглую или прямоугольную форму. Поверх-
ность их рекомендуется выполнять вогнутой с закругленной
верхней кромкой. Минимальный диаметр кнопок (размер диаго-
нали для прямоугольной формы) должен быть 12,5 мм. Нажатие
кнопки сопровождается преодолением упругого сопротивления,
незначительного вначале, но быстро нарастающего и заканчива-
ющегося щелчком, указывающим на состоявшееся переклю-
чение. Для многократно используемых кнопок «щелчковый
эффект» не должен быть очень большим. Перемещение
кнопок при нажатии должно осуществляться на одинаковую
глубину 3—12 мм (для часто используемых кнопок —3—5 мм,
для редко используемых —6—12 мм), максимальное усилие
сопротивления 10 Н.

Расположение кнопок на пульте управления определяется
их функциями. В основной рабочей зоне помещают кнопки
для ввода информации и управления режимами работы. Кнопки
включения и выключения ЭВМ или отдельных ее устройств
располагают вне основной рабочей зоны, чтобы исключить
возможность их случайного нажатия.

При большом количестве кнопок применяют их группиро-
вание и окраску в разные цвета. Расположение кнопок в группе
должно соответствовать естественной последовательности
а)

в)

г)

Рис. 8.12. Расположение групп кнопок управ-
ления

группами должно быть не менее

2

3

4 5 6

8 3

выполнения операций (рис.
8,12, а). Если же нумера-
ция кнопок отличается ко-
роткой и ясной циклич
ностью, их следует поме-
щать вплотную друг к другу.
При этом все кнопки мож-
но нажимать одной рукой
(рис. 8.12, б). Кнопки для
ввода цифровой информа-
ции группируют либо по
три (рис. 8.12, <?), либо по
четыре (рис. 8.12, г). Рас-
стояние между соседними

диаметра одной кнопки, соседние группы кнопок рекоменду-
ется красить в разные цвета. Если кнопка может быть слу-
чайно нажата, ее надо ограждать приподнятым ободком или
располагать ниже поверхности панели (предпочтительная высота
перегородок 2,5 мм, диаметр отверстия под скрытую кнопку
диаметром 12,5—18 мм).

Для обозначения функционального назначения кнопок необ-
ходимо применять символы, надписи, окраску определенным
цветом. Надписи и символы можно располагать как на по-
верхности кнопок, так и рядом с посадочным местом под
кнопку на поверхности панели управления строго над соответ-
ствующими кнопками. Рекомендуемый цвет надписей — белый,
желтый, желто-зеленый.

Контраст между надписями на пенели и фоном (цветом
поверхности пульта управления) должен обеспечивать нормаль-
ное чтение надписей в условиях освещения машинного
зала.

Для работы удобны кнопки как круглой, так и прямоугольной
формы. Иногда на одной панели можно использовать кнопки
разной формы для их быстрого опознавания. При этом для
особо важных рабочих операций можно устанавливать боль-
шие круглые кнопки, а для всех других операций — квадрат-
ные или прямоугольные.

Тумблеры, применяемые в ЭВМ, делят на двух-, трех- и
четырехпозиционные. Длина рычага тумблеров 9—50 мм, угол
перемещения рычага 40—120°, диаметр конца рычага 3—15 мм.
Усилие переключения рычага тумблеров не должно превышать
7 Н. При установке тумблеров на панель управления следует
придерживаться следующих положений: а) установка в гори-
зонтальные ряды предпочтительней установки в вертикальные
ряды, так как при этом уменьшается вероятность ошибки;
б) шаг установки должен быть не менее 12 мм по горизонтали
и достаточным, чтобы обеспечить 20 мм между рычагами по
вертикали при условии, что их переключение происходит по
вертикали (рис. 8.13).

Клавиши, нашедшие наибольшее распространение в устрой-
ствах ввода информации в ЭВМ, должны быть спроектированы
и установлены в таком положении, чтобы обеспечить опера-
тору наибольшие удобства в работе. Если рассмотреть траекто-
рию движения указательного пальца при неподвижном поло-
жении кисти руки (рис. 8.14), то можно отметить участок Л

Рис. 8.13. Рекоменду-
емое расположение
тумблеров

Рис. 8.14. Траектория движения указательного
пальца оператора при нажатии на клавишу

между 25 и 55°, на котором усилие, развиваемое пальцем,
минимально. При угле, близком к 55°, указательный палец
встречает большой палец. На начальном участке траектории
движения (0~25°) усилие, развиваемое пальцем, максимально.

Поэтому плоскость клавиш и расположение кисти руки при
работе на клавиатуре должны быть установлены из условия

обеспечения работы на

Рис. 8.15. Предпочтительная
конструкция клавиатуры

начальном участке траектории движения
пальцев. Исходя из этих соображений
конструкция клавиатуры, представлен-
ная на рис. 8.15, о, более предпочти-
тельна, чем конструкция, приведенная
на рис. 8.15, б.

Органы индикации на пульте управ-
ления ЭВМ должны оз печать нормам,
устанавливаемым национальными стан-
дартами. Выбор чина сигнальной инди-
кации производился в зависимости от
передаваемой ими информации. Напри-

мер, информация о том, включено или
выключено то или иное устройство
машины, проще всего передается лампочкой, включенное или
выключенное состояние которой визуально легко определяется.
Предупреждающий или предостерегающий сигнал также может
быть передан горящей лампочкой. Для большей заметности
интенсивность свечения увеличивается или же лампочку вклю-
чают в режим «мигания». Словесная инструкция о необходи-
мости произвести какое-либо действие (например, «Включить»,
«Запуск» и т. п.) может быть передана с помощью светового
табло, при включении которого высвечивается соответствующая
надпись. Применение такой индикации позволяет сократить
время принятия решения подачей четкого и ясного указания.
Приближенная оценка значения того или иного параметра
(например, питающего напряжения) может быть проведена
с помощью стрелочного прибора с соответствующей градуи-
ровкой. Допустимые пределы изменения измеряемого параметра
на шкале прибора могут быть нанесены контрастной краской.

Цвета индикаторов должны соответствовать принятой для
данной машины цветовой гамме и контрастировать с фоном
(цветом поверхности пульта управления). Состояние устройств
должно индицироваться одним из трех цветов: красный —
авария, выход из строя; желтый— внимание, поиск; зеленый —
нормальная работа. Надписи и символы, располагаемые как
на элементах управления и индикации, так и непосредственно
возле них, должны быть Максимально краткими и ясными
и выполняться в соответствии с требованиями стандартов.
Например, в ЕС ЭВМ для нанесения надписей принят шрифт
журнальный рубленый нормальный. Рекомендуемые высота,’
ширина и толщина контура символов надписей в зависимости
от расстояния до оператора приведены в -табл. 8.6.

Из данных таблицы следует, что отношение высоты к
ширине символа должно быть 3:2, толщина контура должна
быть равна 1 /в высоты.

Условия работы человека-оператора. Нормальная и безопас-
ная работа человека-оператора во многом зависит от того,’
в какой мере условия его работы соответствуют оптимальным.
При этом под условиями работы подразумевают комплекс

Таблица 8.6

Параметры символов, мм	Расстояние до оператора, м									
	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6.0	7,0	8,0	9,0
Высота	6	12	25	35	45	60	70	85	95	105
Ширина	4	7	15	21	27	36	42	50	57	63
Толщина контура	0,7	1,5	3	4	6	7,5	9	10,5	12	12,5
физических, химических, биологических и психофизиологичес-
ких факторов, установленных стандартами по безопасности
труда (ССБТ).

К физическим факторам относятся: вибрация и шум из-за
движущихся машин, механизмов и их элементов, запылен-
ность и загазованность воздуха, температура поверхностей
оборудования, материалов и воздуха;

плотность воздуха, ее резкое изменение, подвижность и
ионизация воздуха;

ионизирующие и электромагнитные излучения, статические
заряды и повышение напряжения в цепи, электрические и
магнитные поля;

отсутствие или недостаток естественного света, повышен-
ная или пониженная освещенность, яркость и контрастность,
блесткость поверхности, пульсация светового потока;

ультрафиолетовая или инфракрасная радиация.

К химическим факторам относятся:

общетоксические, раздражающие, сенсибилизирующие, канце-
рогенные, мутагенные;

действующие через дыхательные пути, пищеварительную
систему, кожный покров.

К биологическим факторам относятся:

микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы и т. п.);
макроорганизмы (растения и животные).

К психофизиологическим факторам относятся перегрузки:
физические (статические, динамические, гиподинамия);
нервно-психические (умственное перенапряжение, монотонность
труда, эмоциональные перегрузки).

Рассмотрим некоторые из указанных факторов.

Освещение. Хорошее освещение необходимо для выпол-
нения большинства задач, поставленных перед оператором.
Чтобы правильно спланировать рациональную систему освеще-
ния, необходимо учитывать яркость источников света, их
расположение в помещении, яркостный контраст между устрой-
ствами ЭВМ и фоном, блесткость поверхностей, качество и
цвет светильников и поверхностей. Для малой и средней
сонтрастности поверхности ЭВМ при темном фоне наимень-
ший уровень освещенности должен быть 150 лк. Для большой
сонтрастности при светлом или темном фоне наименьший
вровень освещенности 100 лк.

ЭВМ эксплуатируют в помещениях, где необходимо преду-
:матривать систему искусственного освещения из люминесцен-
ных ламп дневного света или ламп накаливания. Существуют
(рямая, отраженная и диффузная системы искусственного
>свещения. При прямом освещении свет попадает на объекты
[епосредственно от источников света (светильников). При
том 90—100% мощности светильника направлено на рабочую
поверхность, что вызывает яркостные контрасты, резкие тени
и блесткость (свойство ярко освещенной поверхности вызывать
ослепление или дезадаптацию наблюдателя). При освещении
отраженным светом 90—100% света направляется на потолок
и верхнюю часть стен, от которых свет более или менее
равномерно отражается по всему помещению. При этом
достигается ровная освещенность без теней и блескости.
Диффузное освещение обеспечивает рассеянный свет, одинаково
распределенный по всем направлениям. Такая система освеще-
ния требует меньшей мощности, чем две предыдущие, но
вызывает частичное образование теней и блескости.

Оптимальные условия освещения могут быть созданы при
применении светящегося потолка, когда источники света
прикрываются полупрозрачной поверхностью. Мягкий свет,
льющийся с такого потолка, почти не создает теней и блес-
кости.

При установке светильников следует избегать направления
света на оператора. Небольшое количество света, направлен-
ное в глаза наблюдателю, так изменяет уровень адаптации
его глаз, что он лишается способности видеть освещаемый
объект.

С освещением тесно связано требование оптимального
сочетания цветов потолка, стен и пола помещения и установ-
ленного в нем оборудования, которое должно основываться
на учете как физических, так и психологических факторов.
При выборе цвета нужно исходить из требования создания
условий для хорошего отражения общего освещения, что
улучшает условия зрительного восприятия. Светлые оттенки
всех цветов уменьшают поглощение света. Как правило,
наибольшие коэффициенты отражения требуются для потолков,
несколько меньшие —для стен и полов. Рекомендуется выби-
рать цвета бледных, «пастельных» оттенков. При этом следует
использовать совместимые группы цветов, чтобы тот или
иной цвет не казался неуместным, «не выпирал» из общей
цветовой гаммы. В этом случае потолок сможет отражать
80—90% света, стены — 50—60%, пол —15—30%. Примером совмести-
мой гаммьг цветов служит следующая окраска помещения:
потолок —белого цвета, верхняя часть стен — бледно-зеленого
цвета, остальная часть стен —зеленого Цвета средней насы-
щенности, пол и драпировка —зеленого цвета средней насы-
щенности, мебель— зеленовато-серого или светло-коричневого
цвета. При окраске различных помещений следует помнить,
что цвета теплых тонов (красный, желтый, коричневый) сти-
мулируют активность человека, создают впечатление бодрости
и возбуждения. Цвета холодных тонов (синий, зеленый, фиоле-
товый) создают впечатление «холода». Поэтому комнаты отдыха
обычно окрашивают в цвета, располагающие к покою, такие,
как голубой, зеленый, некоторые оттенки коричневого. Для
рабочих зон рекомендуются более насыщенные цвета. При-
менение одновременно холодных и теплых тонов создает
ощущение растерянности и беспокойства. Исходя из этих пред-
посылок внешняя расцветка вычислительной аппаратуры пред-
почтительней мягкая, светлого цвета. Так, комбинационными
сочетаниями цветов основного декоративно-защитного покрытия
устройств ЕС ЭВМ являются белый с голубым, белый с крас-
ным, белый с серым. При этом предпочтение отдается
сочетанию цветов белого и голубого.

Температура. Температура окружающей среды сущест-
венно сказывается на работоспособности человека, особенно
на его умственной деятельности. Установлено, что температуру
+ 50°С, намного превышающую допустимый уровень, чело-
век может выдержать в течение 1 ч.-При + 30°С умственная
деятельность человека ухудшается, замедляется его реакция,
что ведет к появлению ошибок. При + П°С начинается
окоченение конечностей, такая температура минимально до-
пустима. Наиболее благоприятный диапазон температур в лет-
нее время от +18 до + 24°С, в зимнее время от +17 до
+ 22°С.

Движение воздуха позволяет увеличить рабочий диапазон
температур. Так, при скорости движения воздуха 0,1; 0,5;
0,9 м/с верхняя допустимая граница рабочего диапазона сдвига-
ется соответственно до +22, 24, 26°С при интенсивном расходе
энергии человеком порядка 1000 Дж/ч.

Различные сочетания температуры и влажности сдвигают
допустимые температурные диапазоны (зоны комфорта) так,
как представлено на рис. 8.16. Как правило, значение относи-
тельной влажности в рабочем помещении не должно быть
выше 70% и ниже 30%.

Рис. 8.17. Зона комфорта при
воздействии шума

Рис. 8.16. Зоны комфорта при воздейст-
вии температуры и влажности
Применение вентиляции в рабочих помещениях еще более
улучшает условия деятельности человека. Рекомендуемая интен-
сивность вентиляции для помещений с установленными ЭВМ
0,5—1,0 м3 свежего воздуха в минуту на каждый 1 м2 пола.

Атмосферное давление. Атмосферное давление в
пределах 80—106 кПа легко переносимо человеком. Для давле-
ний, выходящих за эти пределы, для человека требуется
предварительная акклиматизация.

Акустические шумы. Акустические шумы и борьба
с ними приобрели большое значение в последние годы в
связи со все возрастающим количеством различных механиз-

мов, машин, самолетов и т. д., являющихся источниками звуко-
вых колебаний различной интенсивности. Шум резко снижает
производительность труда и увеличивает травматизм. Физио-
логически шум воздействует на органы зрения и слуха, повыша-
ется кровяное давление, притупляется внимание. На рис. 8.17
представлены зоны относительного акустического комфорта
в помещениях. Внешняя зона соответствует неблагоприятным
уровням шума. Внутренняя зона —зона комфорта. Цифры
обозначают процент звуков речи, которые будут правильно
услышаны человеком с нормальными органами слуха при нор-
мальном разговоре. Снижение шума достигается: правильной
планировкой, направленной на изолирование источников звука;
установкой специальных средств, преграждающих путь звуку;
изоляцией вибрирующих машин с помощью соответствующих
звукопоглощающих приспособлений, использованием звуко-

поглощающих материалов.

Механические вибрации.
Механические вибрации не только
вредно воздействуют на организм,
но и мешают человеку выполнять
как мыслительные, так и двига-
тельные операции. Зрительное вос-
приятие ухудшается под действи-
ем вибрации, в особенности на
частотах между 25 и 40 Гц и
между 60 и 90 Гц. Вертикальная
вибрация в большей степени влия-
ет на операторов, работающих
сидя, а горизонтальная —на рабо-
тающих стоя. На рис. 8.18 при-
ведены зависимости различных
ощущений человека на вибрацию
с различной частотой и амплиту-
дой. Вибрации с параметрами выше
внешней кривой вызывают боле-
вые ощущения. Человеческое тело

Рис. 8.18. Ощущения человека при
воздействии вибрации:
/—не ощущается; //—ощущается;
///—беспокоит; IV— вызывает боль
Рис. 8.19. Диаграмма условий

работы человека-оператора

реагирует на вибрацию в основном так же, как механические
системы. Когда частота внешних колебаний приближается к
частоте собственных колебаний человеческого тела, равной
примерно 5 Гц, действие вибраций на человека неприятно.

. Анализируя сказанное о влиянии окружающих условий на
работоспособность человека, можно отметить по всем пара-
метрам зоны высшего комфорта, комфорта, некомфортную и
невыносимую и представить их в виде диаграммы (рис. 8.19).
Зона высшего комфорта предполагает работу человека без
наклона при температуре +22°С без шума, вибрации и изме-
нения давления, в атмосфере с влажностью 60% без оксида
углерода, с вентиляцией 35 м3/ч и потреблении теплоты
около 500 ккал/ч на человека.

§ 8-3

ОСНОВЫ ХУДОЖЕСТВЕННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ

И КОМПОНОВКИ ЭВМ И СИСТЕМ

Требования технической эстетики (художественного кон-
струирования и компоновки) предъявляются к тем вычисли-
тельным машинам, с которыми в процессе работы непосред-
ственно контактирует человек. Поэтому таким требованиям
в первую очередь должны отвечать стационарные и настоль-
ные вычислительные машины, а также карманные вычислители.
В меньшей степени этим требованиям должны отвечать тран-
спортируемые ЭВМ, особенно бортовые. Это объясняется особой
жесткостью эксплуатационных требований, предъявляемых к
такому классу машин, отсутствием человека-оператора (напри-
мер в непилотируемых космических объектах).

К общим требованиям технической эстетики относят: вырази-
тельность-способность ЭВМ своим внешним видом наглядным
образом отображать качество, обеспечивая соответствующее
эстетическое восприятие; оригинальность — совокупность свое-
образных элементов формы и их отношений, дающих воз-
можность отличить данную машину от ряда однотипных.
Понятие оригинальности не исключает, а предполагает сохра-
нение определенных признаков формы: национальных, отрасле-
вых, фирменных; гармоничность —свойство формы машины
быть органично согласованной с элементами формы, что
достигается определенными соотношениями яркости, цвета,
размеров и расположением различных элементов; требование
гармоничности распространяется также на согласованность
машины с помещением, где она эксплуатируется, в том числе
когда машина является частью ансамбля или функционально
связанной системы; требование стилевого единства предъявляют
к признакам формы машины, которые отражают исторически
сложившиеся социально-экономические и идейно-эстетические
принципы, а также художественно-конструкторские методы и
средства их воплощения;, современность стиля — согласованность
между общим стилем машины и уровнем развития стиля мира
материальной культуры. Ведущими принципами социалисти-
ческого стиля формообразования являются: предельная обще-
ственная целесообразность, гуманность, демократизм, общий
мажорный тон, чистота, ясность, изящество.

Основные средства создания формы конструкции изделия —
организация пространства, масштаб и пропорции объемов
изделия, его силуэт и композиция,- ритм его масс, плоскостей
и опор, тектоническая структура, цвет и фактура использован-
ного материала, отношение изделия к окружающей среде.
Этими средствами художественное конструирование выявляет
в облике изделия его назначение и принципы конструктив-
ного решения и в то же время воплощает определенный
комплекс идей и технических характеристик, которые связаны
с назначением данного изделия, с той ролью, какую оно
будет играть в общественной жизни.

Одним из основных понятий художественного конструи-
рования изделий является композиция — построение целостного
произведения, элементы которого находятся во взаимосвязи
и гармоническом единстве. Основу композиции составляет
объемно-пространственная структура изделия, отвечающая его
назначению и выражаемая в характере взаимосвязи элементов
формы изделия, взаимном расположении его частей, пропор-
циях, ритмическом строе элементов формы и т. п. Компози-
ционной организации формы изделия достигают путем уста-
новления взаимосвязи и соподчинения образующих ее элемен-
тов. ПрИ этом главные и подчиненные элементы, взаимно
усиливая друг друга, образуют в целом единство. Если форма
изделия неоднородна или размеры его элементов не равны,
то композиционное единство формы возникает, если средствами
композиции обеспечивается соподчинение одних элементов
другим. Например, в устройствах визуального отображения
информации (дисплеях) экран электронно-лучевой трубки
занимает доминирующее положение, все другие элементы
(обрамление, клавиатура) дополняют его общую форму, отражая
единое композиционное целое. Если изделие состоит из трех
частей, то средняя часть из-за своего центрального положения
подчиняет себе обе боковые части. Усилить это соподчине-
ние можно путем увеличения средней части. Главный эле-
мент выделяют из соподчиненных элементов размерами, особым
расположением приборов и органов управления, цветом, харак-
тером членения.

Основные средства композиции, придающие изделию сораз-
мерность и гармонию,—масштабность, пропорциональность,
ритм, контраст и нюанс, симметрия и асимметрия.

Масштабность — зрительно-пространственная характеристика
размеров конструкции изделия. В основе масштабности лежит
отношение части к целому, изделия в целом и его частей
к окружающим предметам и их частям, а также к размерам
человека. Характер масштабности обусловлен степенью расчле-
ненности, деталировкой формы. В вычислительной аппаратуре,
как и во многих промышленных изделиях, масштабные характе-
ристики связаны с деталями, размеры которых строго обуслов-
лены техническими и эргономическими требованиями. Напри-
мер, рукоятки управления, клавиши, кнопки и т. п. имеют
относительно постоянные размеры независимо от того, какой
величины изделию они принадлежат. Такие элементы и детали
носят название указателей масштаба.

Выразительная масштабность изделия (ЭВМ) достигается
лишь при соблюдении масштабных закономерностей: малень-
кая форма должна иметь крупные детали, а большая — отно-
сительно мелкие. В качестве примера можно указать на дина-
мику масштабности размеров тела человека при его росте.
Так, соотношение высоты головы и высоты тела у новорож-
денного ребенка 1:4, в 2 года—1:5, в 5 лет—1:6, в 12
лет — 1:7, у взрослого мужчины это соотношение 1: 8.
На масштабное восприятие формы изделий оказывают вли-
яние зрительные иллюзии. Например, вертикальные формы
кажутся длиннее равных им горизонтальных форм, квадрат
зрительно производит впечатление прямоугольника. Ошибка
в оценке высоты в связи с этим может достигать 35%. Свет-
лые предметы, особенно белые, кажутся крупнее равных им
темных предметов (явление иррадиации). Размещенный на
более крупной панели прибор кажется меньше идентичного
прибора, расположенного на мелкой панели.

Пропорциональность — соразмерность частей формы между
собой и с целым. От удачно найденного соотношения конструк-
тивных частей изделия зависит в значительной мере его
композиционная целостность. При определении пропорциональ-
ных соотношений в промышленности нашли широкое приме-
нение основные ряды предпочтительных чисел R5; RIO; R20;
R40 и ряды нормальных размеров Ra5; RalO; Ra20; Ra40.
Большое распространение в природе и технике получили также
пропорции, связанные с применением иррациональных величин.
Прямоугольники с такими соотношениями размеров сторон
образуют фигуры с соотношениями площадей 1:2; 2:3 и т. д.

Ритм— средство композиции, обеспечивающее выделение и
связь элементов формы путем их повторения, чередования,
нарастания, убывания. Ритм как средство гармонизации тесно
связан с масштабным и пропорциональным строем изделия.
Он способствует более четкому зрительному восприятию кон-
струкции. Характер ритма обусловлен функцией и конструкцией
изделия. Расположение блоков четкими рядами подчеркивает
ритмичность конструкции. При установке шкафов (стоек) ЭВМ
в линию ритм образуется створками (дверцами) шкафов.

Контраст — средство композиции, позволяющее активнее
выразить функциональные и конструктивные особенности эле-
ментов. Средства контрастирования — цветовые и размерные
решения. Те элементы, которые необходимо выделить из общей
совокупности, имеют обычно отдельную, неповторяющуюся
форму и окрашиваются в контрастирующие цвета.

Нюанс— незначительное различие элементов конструкции по
форме, размерам и цвету (средство композиции, противо-
положное контрасту).

Симметрия —организация элементов конструкции, основанная
на правильном их размещении вокруг центра или оси. Конструк-
ции, не обладающие симметрией, обладают асимметрией.
Симметричная композиция подчеркивает статичность изделия,
асимметричная композиция— его динамичность.

Важное средство композиции —цветовое решение изделия,
т. е. его окраска. Умело применяя те или иные цвета, можно
создавать впечатление легкости и тяжести, холода и тепла,
простора и тесноты, выступания и отступания элементов и
узлов изделия (рис. 8.20). Цвет также необходим для выявле-
ния нужных деталей, элементов или частей изделия и прежде
всего опасных в отношении травматизма. Цвет является сред-
ством эстетического воздействия, влияя на настроение, поднимая
и понижая эмоциональный тонус, вызывая ощущение твор-
ческого подъема. Кроме того, цвет способствует образному
выражению сущности изделия, обеспечивает его связь с окру-
жающей средой. Для ЭВМ наиболее целесообразно применение
гармонизирующих оттенков одного и того же цвета (напри-
мер, черный, темно-серый, светло-серый или песочный, беже-
вый, оливковый и т. п.). Это не исключает применение там,
где это необходимо, контрастирующих цветов, например крас-
ного—для сигнализации аварийных режимов работы, зеленого —
для сигнализации нормального режима работы и т. д.

§ 8.4

ХУДОЖЕСТВЕННО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ОЦЕНКА ЭВМ
И СИСТЕМ

После выпуска полного комплекта конструкторской доку-
ментации, изготовления и испытания первых образцов про-
водится оценка художественно-конструкторских показателей
ЭВМ. При этом используются четыре .вида оценки? 1). право-
вая защита оригинальности конструкции ЭВМ; 2) количествен-
ная оценка эстетических и эргономических показателей;
3) качественная оценка; 4) приемка опытных образцов и уста-
новочных партий на этапе авторского надзора.
Оригинальность художественно-конструкторского решения
ЭВМ дает право на авторскую защиту его в качестве про-
мышленного образца, что учитывается при аттестации изде-
лий на присвоение Знака качества.

Эстетические показатели качества оцениваются уровнем
стилевого решения формы, ее фундаментальностью и компози-
ционной законченностью и качеством отделки поверхности.

Эргономические показатели качества ЭВМ оцениваются по
удобству обслуживания, его оперативности и безопасности.
Обычно используют четыре группы эргономических показа-
телей: гигиенические (освещенность, вентилируемость, темпе-
ратура, влажность, давление воздуха, напряженность электри-
ческого и магнитного полей, запыленность, радиация, токсич-
ность, шум, вибрации, гравитационные перегрузки и ускорения
на объекте —носителе ЭВМ), антропометрические (соответствие
форме, размерам тела человека и распределению его массы),
физиологические и психофизиологические (соответствие сило-
вым, скоростным и энергетическим возможностям человека и воз-
можностям его зрительного, слухового и осязательного аппа-
рата), психологические (соответствие закрепленным и вновь
формируемым навыкам человека и его возможностям по вос-
приятию, переработке и выработке сигналов управления). Для
числовых оценок этих параметров используют методы экспертной
оценки.

При качественной оценке художественно-конструкторского
уровня ЭВМ для присвоения государственного Знака качества
кроме оригинальности конструкции ЭВМ принимают во внима-
ние карты технического уровня ЭВМ, в которых кроме эстети-
ческих и эргономических показателей учитываются и техни-
ко-экономические (функциональные) показатели. Считается, что
весомость эстетических и эргономических показателей в комп-
лексном показателе качества составляет ~ 10%.

Приемка опытных образцов и установочных партий ЭВМ
на этапе авторского надзора служит для сохранения стиля,
характера и используемых материалов, определяющих оригиналь-
ность в художественно-конструкторском макете выпускаемого
изделия. Замена определяющих внешний эстетический облик
ЭВМ материалов, отсутствующих в данный момент на заводе-
изготовителе, допускается только совместным решением заказ-
чика, разработчика и изготовителя ЭВМ.

Задания для самопроверки

1.	Охарактеризуйте роль человека-оператора в системе человек — машина.

2.	Чем определяется время сенсомоторной реакции человека?

3.	Какие требования предъявляются в организации рабочего места чело-
века-оператора?
4.	Где должен размещаться тумблер аварийного выключения ЭВМ на
пункте управления?

5.	Перечислите значения параметров, определяющих нормальные условия
работы человека-оператора.

6.	Назовите виды оценки художественно-конструкторских показателей
ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До начала «эры микропроцессоров» различные виды оборудования развива-
лись в значительной степени независимо, их межвидовая конструктивная
унификация не требовалась и, следовательно, не обеспечивалась. В результате
появилось большое число несовместимых конструкций оборудования и приме-
няемой в его составе радиоэлектронной аппаратуры, в том числе систем
управления. В настоящее время решается задача внедрения ЭВМ во все виды
машин, приборов и оборудования (управляемых объектов), т. е. конструктив-
ного встраивания ЭВМ в существующие типы конструкций. Здесь возможны
два варианта: 1) адаптация конструкции ЭВМ под различные управляемые
объекты; 2) адаптация конструкций управляемых объектов под унифицирован-
ную и стандартизованную конструкцию. Последний вариант может показаться
нереальным, так как предполагает перестройку всей промышленности. Но реали-
зация первого варианта не решает проблемы, так как огромное число конструк-
тивных решений ЭВМ резко снизит эффективность их применения: замедлит
темпы разработки, производства и внедрения, снизит серийноспособность,
а следовательно, и качество, повысит стоимость и т. д.

Внедрение ЭВМ в народное хозяйство кроме прямого эффекта —значи-
тельного улучшения технических характеристик управляемых объектов приво-
дит к благоприятному следствию — создает предпосылки для комплексной
межвидовой унификации машин, приборов, оборудования.

Конструкционная система, которая может обеспечить наиболее эффектив-
ное применение ЭВМ в различных отраслях народного хозяйства и гармо-
нично сочетать технические и экономические требования на всех этапах
жизненного цикла ЭВМ и управляемого ею объекта (разработка, производство,
эксплуатация, ремонт, модернизация), должна удовлетворять следующим тре-
бованиям:

вариантность по физическим параметрам (площадям печатных плат, объемам
частичных, комплектных и комплексных корпусов);

гармоничное сочетание конструктивных единиц с разными физическими
параметрами в конструкции изделия без дополнительных накладных расходов
(потери объема, сложность механического и электрического соединений и т. п.);

вариантность и адаптируемость к различным условиям эксплуатации,
т. е. повышение стойкости против механических и климатических воздействий;

соответствие международным стандартам в пределах, обеспечивающих
совместимость и взаимозаменяемость функционально-конструктивных модулей;

технологическая независимость, обеспечивающая автоматическую совме-
стимость модулей, изготовленных по разным технологиям;

широкое применение КС в стране и за рубежом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеев В. А., Арефьев В. А. Тепловые трубы для охлаждения и термо-
статирования радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Энергия, 1979. — 128 с.

Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Советское
радио, 1975.—352 с.

Васенков А. А., Малашевич Е. Л., Шахнов В. А. Микропроцессоры и проб-
лема взаимоотношений между потребителями и создателями изделий
электронной техники. — Электронная промышленность, 1978, вып. 5(65), с. 22—26.

Волохов В. А., Хрычиков Э. И., Киселев В. И. Системы охлаждения тепло-
нагруженных радиоэлектронных приборов. Библиотека радиоконструктора. — М.:
Советское радио, 1975. — 144 с.

Конструирование и технология печатных плат. /Я.' Т. Жигалов, Е. П. Котов
и др. — М.: Высшая школа, 1973.— 216 с.

Конструирование микроэлектронной аппаратуры /Под ред. Б. Ф. Высоц-
кого. — М.: Советское радио, 1975. — 120 с.

Конструирование и расчет больших гибритных интегральных схем, микро-
сборок и аппаратуры на их основе /Под ред. Б. Ф. Высоцкого. — М.: Радио
и связь, 1981, 216 с.

Майоров С. А., Крутовских С. А., Смирнов А. А. Электронные вычисли-
тельные машины (справочник по конструированию) / Под ред. С. А. Майо-
рова. — М.: Советское радио, 1975. — 504 с.

Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и струк-
тура / Под ред. А. А. Васенкова, В. А. Шахнова. — М.: Радио и связь, 1982.—
192 с.

Мурадян А. Г., Гинзбург С. А. Системы передачи и информации, по опти-
ческому кабелю. — М.: Связь, 1980. — 160 с.

Ненашев А. П., Коледов Л. И. Основы конструирования микроэлектрон-
ной аппаратуры. — М.: — Радио и связь, 1981. —304 с.

Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры./Под ред. Б. Ф. Вы-
соцкого. — М.: Советское радио, 1977.—352 с.

Основы построения технических средств ЕС ЭВМ на интегральных
микросхемах IB. С. Саморуков и др.; Под ред. Б. Н. Файзулаева. — М.: Радио
и связь, 1981.— 288 с.

Прангишвили И. В. Микропроцессоры и микро-ЭВМ. — М.: Энергия, 1979.—
232 с.

Преснухин Л. И, Нестеров П. В. Цифровые вычислительные машины. —
М.: Высшая школа, 1974.—415 с.

Преснухин Л. Н., Шахнов В. А., Кустов В. А. Основы конструирования
микроэлектронных вычислительных машин. — М.: Высшая школа, 1976,—
408 с.

Преснухин Л. Н., Воробьев Н. В., Шишкевич А. А. Расчет элементов цифро-
вых устройств: Учеб. пособие/Под ред. Л. Н. Преснухина. —М.: Высшая школа,
1982. - 384 с.

Романов Ф. И., Шахнов В. А. Конструкционные системы микро-ЭВМ.
М., Радио и связь, 1983. — 120 с.

Сапожков К. А., Бершадский А. М., Пац В. Б. Выбор и применение систем
логических элементов ЭВМ. — М.: Энергия, 1980.— 72 с.

Семенов Н. А. Оптические кабели связи: Теория и расчет. — М.: Радио
и связь, 1981. — 152 с.

Селютин В. А. Машинное конструирование электронных устройств. — М.:
Советское радио, 1977, —384 с.

Система малых электронных вычислительных машин. СМ ЭВМ. — М.:
МПК по ВТ, 1979. - 288 с.

Шишкевич А. А. Конструирование и надежность микроэлектронной аппара-
туры. - М.: МИЭТ, 1979. - 108 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Автоматизация проектирования 118

—	размещения 245

Адаптация 481

Адресация 243

Аккомодация 480

Алгоритм волновой 122

—	маршрутный 131

—	размещения 128

Амортизатор 317

Амортизация 312

Апертура числовая 172

Безотказность 431

Блоки 72, 235, 442

Вентилятор 271

Вероятность безотказной работы 26

Вибрация 12

Вибропрочность 12

Виброустойчивость 12, 311

Влажность 8

— относительная 8

Вывод микросхемы 77, 81

---балочный 76, 340

---гибкий 76, 80, 340

---планарный 81

---шариковый 76

---штыревой 81

Герметизация 369, 375

Давление воздуха 8

---атмосферное 8, 499

Демпфирование 305

Деталь 32

Диэлектрик фольгированный 109

Добротность 200

Долговечность 26, 431

Документы конструкторские 44

— рабочие 34

Дубликат 45

Единая система конструкторской до-
кументации (ЕСКД) 32

---программной документации
(ЕСПД) 47

--- технологической документации
(ЕСТД) 47

---электронных вычислительных

машин (ЕС ЭВМ) 47, 274

Жгут 149

Задание техническое 34, 36

Задержка сигнала 399

Заземление 424

Закон теплопроводности 261

—	экспоненциональный распределе-

ния 434

Заливка 370

Затухание сигнала 416

Зона климатическая 10

—	условно нагретая 267

Иерархия конструктивная 68

Избыточность 464

Изделия 32

— коммутационные 189

Излучение 259, 361

Интегральная микросхема (ИС) 75

-- бескорпусная 77. 92

--большая (БИС) 40

-- гибридная 76

-- полупроводниковая 76

Кабель 167

—	коаксиальный 167

—	оптический 174

—	печатный 170

—	плетеный 168

—	прессованный 167

Ключ 222

Коды арифметические 470

—	Брауна 472

—	равновесные 473

—	с повторениями 465

—	Хемминга 467

Колебания вынужденные 306

—	свободные 305

—	собственные 307

Компаунд 372

Комплекс 33

Комплект 33

—	БИС микропроцессорный 106

Композиция 501

Компоновка 286

Конвекция 259

Конвергенция 481

Конденсатор 183

—	индивидуальный. сглаживаю-
щий 421

—	керамический 184

—	монолитный 185
— оксидно-полупроводниковый 187

—	стеклянный 185

—	танталовый 183

—	электролитический 183

Конструирование 4

Конструкция трехмерная 325

Копия 45

Корпус интегральной микросхемы 81

—	комплексный 292

—	комплектный 240, 286

—	частичный 285

-	ЭВМ 72

Коэффициент готовности 439

—	динамичности 313

—	затухания 416

—	интеграции 29

—	отражения 405

—	теплоотдачи 259

—	теплопроводности 261

Кристалл бескорпусной ИС 332

Кристаллодержатель 334

Линия связи несогласованная 405

--волоконно-оптическая (ВОЛС)

171

--согласованная 405

Масштаб 50, 501

Метод расчета отражений графи-
ческий 413

Микрокалькулятор 297

—	инженерный 297

—	программируемый 298

—	простейший 297

Микрокорпус 94, 347

Микропереключатель 189

Микропроцессор 40, 106

Микросхема 68, 75

Микротумблер 190

МикроЭВМ 280

Модуль 71, 227

—	размерный 231

—	упругости 308

Монтаж 144

—	жесткий 148

—	запрессовкой проводников 151

—	мягкий 149

—	накруткой 149

—	пайкой 145

—	сваркой 146

—	струнный 149

Мощность потребления 100

Надежность 429

Наработка на отказ 26

Невесомость 13

Обволакивание 371

Образования грибковые 10

Описание техническое 53

Опрессовка 373

Органы управления 492

Оригинал 45

Освещение 496

Отказ429

Отражение сигнала404,408

Охлаждение воздушное 260

----естественное 265

----принудительное 265

— жидкостное 260,349

----естественное 260

----принудительное 260

— термоэлектрическое 359

Панель 71,232,443

Пара проводников свитая 168

Паспорт 53

Перегрев аппаратуры 258

Период латентный 478

Пластина 309

Плата печатная 478

----двусторонняя 107

----керамическая 110

----многослойная (МПП) 108,109

Подлинник45

Поле температурное 258

Подложка 336

Помехоустойчивость 101,394

Предложение техническое 34,37

Проводник навесной 148

Проект технический 34

— эскизный 34,37

Процесс переходный 409

Пропитка 370

Профилактика 461

Работа переключения 200

Работоспособность 429

Радиация космическая 6,13

Разъем 153

Режим тепловой 259

Резервирование 447,450,457

Резистор 187

Расход воздуха объемный 267

Резонанс 306

Ремонтоспособность 25,431

Световод 171

Светодиод 176

Серия ИС 77

Система вентиляции 270

— колебательная 304

— конструкционная 231,274
- малых ЭВМ (СМ ЭВМ) 278  — охлаждения 258  	жидкостно-воздушная 272  	испарительная 349  — проектирования 136  Соединитель наборный 154  Солнечное облучение 10	Формуляр 52  — патентный 53 Фотодиод 177 Фотошаблон 43 Фреон 351 Функция веса 123
Сопротивление волновое 118, 398, 404, 406  —	термическое 263  Сохраняемость 26,431  Стеклотекстолит 109  Степень интеграции 76  —	черноты 361  Стойка 71,241,277,444  Стол 245,280  Субблок 72,237  Схема 54  —	общая 55,56  —	подключений 54,66  —	принципиальная 54,63  —	расположения 55,66  —	соединений 54,64  —	структурная 54,60  —	функциональная 54,61  Съемник рычажный 222	Центр жесткости 317  —	масс 317  Частота собственных колебаний 305,307  Чертеж 44  Шаг координатной сетки 140  —	установки микросхем 208  Шероховатость поверхности 265  Шина «земли» 142  —	навесная 222  —	теплоотводящая 228  —	«питания»419  Шкаф 241
Теплопроводность 259,261  Технологичность конструкции 24  Технология толстопленочная 336  — тонкопленочная 336  Типовой элемент замены (ТЭЗ) 70, 214, 225  Типоразмер 230,282  Топология 142  Точка росы 9  Трассировка 142  Т руба тепловая 353  Тумба 284	Элемент индикации 193  —	контрольный 220  	гнездовой 221  	печатный 221  	штыревой 220  —	мажоритарный 448  — пороговый 449  Электронная вычислительная машина  (ЭВМ) 3  	бортовая 17  	восстанавливаемая 432  	морская 16  	невосстанавливаемая432
Удар акустический 12  — тепловой 8  Узел 120,442  Ускорение линейное 12  Условия технические 51		портативная 20  	стационарная 14  	транспортируемая 15  Экран магнитостатический 425  — электромагнитный 426  — электростатический 424  Электромонтаж 143
Факторы климатические 6,7 — механические 6,12 — радиационные 6,13	Ячейка 70,216
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..................................................... 3

Введение ........................................................ 4

Глава 1. Общие сведения о конструкции ЭВМ и систем в усло-
виях	их эксплуатации.................................... 6.

§ 1.1.	Факторы, влияющие на работоспособность ЭВМ и систем . .	6

§ 1.2.	Влияние условий эксплуатации на работоспособность ЭВМ
и систем........................................................ 14

§ 1.3.	Требования, предъявляемые к конструкции ЭВМ и систем . .	21

§ 1.4.	Показатели конструкции ЭВМ и систем................ 28

Задания для самопроверки .......................................... 31

Глава 2.	Разработка ЭВМ и систем............................ 32

§ 2.1.	Единая система конструкторской документации	....	32

§ 2.2.	Этапы разработки ЭВМ и систем...................... 34

§ 2.3.	Этапы разработки функционально-сложных БИС	....	40

§ 2.4.	Конструкторская	документация ........................... 44

§ 2.5.	Схемная документация ................................... 54

Задания для самопроверки	.................................. 67

Глава 3. Элементная и коиструктивио-техиологическая база ЭВМ и
систем.............................................................. 68

§ 3.1.	Конструктивная иерархия элементов, узлов и устройств
ЭВМ и систем ................................................... 68

§ 3.2.	Интегральные микросхемы................................. 75

§ 3.3.	Расчет и проектирование печатных	плат.................107

§ 3.4.	Электромонтаж и электрические соединения в ЭВМ и
системах ...................................................... 143

§ 3.5.	Волоконно-оптические линии связи	в ЭВМ............... 171

§ 3.6.	Миниатюрные электрорадиоэлементы, используемые в ЭВМ .	182

Задания для самопроверки.......................................... 184

Глава 4. Основы конструирования элементов, узлов и устройств ста-
ционарных ЭВМ и систем..............................................199

§ 4.1.	Выбор серии логических интегральных микросхем и микро-
процессорных БИС............................................... 199

§ 4.2.	Размещение микросхем на печатных платах................ 208

§ 4.3.	Конструирование типовых элементов замены .............. 214

§ 4.4.	Основные правила конструирования элементов уровней II и
III конструктивной иерархии ЭВМ и систем ...................... 230

§ 4.5.	Автоматизация размещения конструктивных элементов . . •	245

§ 4.6.	Охлаждение ЭВМ и систем................................ 258

§ 4.7.	Конструкционные системы ЭВМ ........................... 274

Задания для самопроверки ......................................... 302

Глава 5. Основы конструирования транспортируемых ЭВМ и систем . •	303

§ 5.1.	Защита ЭВМ от механических воздействий.................303

§ 5.2.	Методы увеличения плотности компоновки ЭВМ	•	•	324

§ 5.3.	Способы охлаждения ЭВМ................................. 349

§ 5.4.	Защита ЭВМ от воздействия агрессивой внешней среды	.	•	•	362

§ 5.5.	Особенности конструкции и компоновки ЭВМ .	.	.	•	•	379

Задания для самопроверки ........................................  393
512

 ' *

Оглавление

Глава 6. Обеспечение помехоустойчивости при конструировании элемен-
тов, узлов и устройств ЭВМ и систем................................394

§ 6.1.	Причины возникновения помех.........................394

§ 6.2.	Связи между элементами в ЭВМ и системах ....	397

§ 6.3.	Помехи при соединении элементов ЭВМ «короткими»
связями...................................................398

§ 6.4.	Помехи при соединении элементов «длинными» связями	.	.	.	404

§ 6.5.	Наводки по цепям питания и методы их уменьшения	.	.	.	419

§ 6.6.	Применение экранов в ЭВМ............................423

Задания для самопроверки ...........................................428

Глава 7. Обеспечение надежности ЭВМ н систем при их проекти-
ровании ...........................................................429

§ 7.1.	Основные характеристики	и параметры надежности	.	.	.	429

§ 7.2.	Структурная надежность.................................439

§ 7.3.	Структурные методы повышения надежности ЭВМ	.	.	.	446

§ 7.4.	Информационные методы	повышения надежности ЭВМ	.	.	464

Задания для самопроверки '..........................................476

Глава 8. Человек-оператор и его влияние на конструкцию ЭВМ и
систем.............................................................477

§ 8.1.	Характеристики человека-оператора как звена в единой
системе человек — машина........................................477

§ 8.2.	Организация рабочего места человека-оператора. Конструи-
рование пультов	управления	ЭВМ..........................486

§ 8.3.	Основы художественного конструирования и компоновки
ЭВМ и систем	...................................500

§ 8.4.	Художественно-конструкторская	оценка ЭВМ и систем . . .	504

Задания для самопроверки	...................................505

Заключение......................................................... 506

Список литературы ................................................. 507

Предметный указатель............................................... 508

Учебное издание

Леонид Николаевич Преснухин

Вадим Анатольевич Шахнов

КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ

Редактор Л. П. Андрианова. Младший редактор Е. Н. Растегаева. Худож-
ник В. В. Гарбузов. Художественный редактор В. И. Мешалкин. Технический
редактор А. К. Нестерова. Корректор Г. И. Кострикова.

ИБ № 5453

Изд. № Стд-437. Сдано в набор 22.11.85. Подл, в печать 07.05.86. Т—08792.
Формат 60 X 9O'/i6. Бум. офсетная No 2. Гарнитура тайме. Печать офсетная.
Объем 32 усл. печ. л. 64. усл. кр.-отт. 32,85 уч.-изд. л. Тираж 25 000 экз.
Заказ № 850. Цена 1 р. 50 к.

Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП4, Неглинная ул.,
д. 29/14.

Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.