Організація проектування медичної радіоелектронної апаратури

Організація проектування медичної радіоелектронної апаратури

1. Етапи та стадії проектування

Етапи та стадії проектування розберемо на прикладi розробки ультразвукового сканера. Сканер повинен вирішувати певне завдання. Відрізок часу від початку проектування приладу до зняття його з експлуатації зветься життєвим циклом цієї технічної системи. У життєвому циклі виробу розрізнюються етапи та стадії (рис. 1). Коротко обміркуємо деякі з них.

На початку проектування обґрунтовуються характеристики приладу та формулюється технічне завдання (ТЗ), котре направляють розробнику.

В ТЗ відокремлюють три розділи.

1. Чисельні вимоги до вихідних параметрів (наприклад кути сканування, глибина сканування та інше).

2. Чисельні дані, які характеризують діапазон виміру параметрів та осередків хвороби (сканер повинен працювати при зміні навколишньої температури від -60 до +60 °С, при коливанні напруги джерела в межах 27±2 В та інші).

3. Якісний опис обмежень, потреб та умов, кількісна оцінка яких ускладнена (розміщення сканера не повинно заважати роботі лікаря).

Розробник аналізує ТЗ, узгоджує його з їх замовником (при цьому уточнюється або навіть змінюється кожний із розділів завдання) та вирішує, з якого етапу почнеться проектування. Останнє визначається тим, наскільки новими виявляються потреби, чи можливо їх задовольнити модернізацією раніш використаних рішень, або необхідний зовсім інший підхід.

2. Блочно - ієрархічний підхід при технічному проектуванні

Суть блочно-ієрархічного підхода, який використовується при технічному проектуванні складних систем, складається з: (рис.3) система розбивається на вироби, пристрої (блоки), вузли й елементи (компоненти). Сумісність блоків утворює один рівень, вузлів - інший, більш низький, компонентів - ще більш низький і т. і. Над рівнем пристроїв є рівень виробів. Якщо декілька виробів входять в деяку підсистему, то з'являється ще більш високий рівень. Застосоване до сканера розбиття на рівні ілюструється рис. 3.

Рисунок 3 - Приклад зображення сканера набором об'єктів різного рівня

Необхідність такого підхода зумовлюється тим, що складна задача великої розмірності розбивається на послідовні вирішення задачі прийнятої складності, яка піддається розумінню одним фахівцем відповідної кваліфікації.

Відмітимо особливість блочно-ієрархічного підходу: чім нижче рівень, до якого належить об'єкт, тім докладніше розглядається він у ході проектування. Відмітимо для прикладу на рівні компонентів біполярний транзистор. Припустимо, що при розробці сканера необхідно спроектувати новий транзистор. Причина цього полягає в тому, що існуючі транзистори не дозволяють побудувати передавач в потрібному діапазоні частот, а використання електроних приладів в якості підсилювачів неприпустимо із-за габаритів. Очевидно, що проектування транзистора неможливо без докладного уявлення процесів, які діють у взаємодіючих p-n - переходах. Знання цих процесів дозволяє описати рух носіїв зарядів, знайти зв'язок між струмами й напругами на затискачах транзистора та встановити залежність цих величин від параметрів напівпровідникової структури. Математичні процеси описуються диференційними рівняннями із частинними похідними.

Перемістимось на рівень вузлів і відокремимо там підсилювач потужності. У його склад входить біполярний транзистор. При проектуванні цього підсилювача немає необхідності описувати транзистор дуже докладно, як це робиться при його розробці. Нас цілком задовольнить еквівалентна схема у вигляді триполюсника певної структури та такими параметрами, які дозволяють, наприклад, по заданим напругам на затискачах знайти струми, досить близькі до струмів справжнього транзистора. Використовуючи подібну еквівалентну схему, ми відвертаємо увагу від дифузії, дрейфу і рекомбінації носіїв заряда. Тепер залежність між струмами та напругами транзистора визначається звичайними диференційними рівняннями.

У зв'язку із сказаним зробимо деяке узагальнення. Зв'язок між струмами та напругами транзистора, коли він розглядається на компонентному рівні, визначався диференційними рівняннями у частинних похідних. Це й задавало математичну модель транзистора. На рівні вузлів зв'язок між цими величинами описувався вже звичайними диференційними рівняннями, що теж визначало математичну модель транзистора, але вже іншу. Зрозуміло, що перша модель точніше в тому разі, коли в ній можна врахувати велику кількість реально діючих факторів. У другої моделі знання протікаючих процесів важливо лише в тій мірі, в котрій вони виявляють вплив на зовнішні характеристики об'єкта. Домовимося звати першу модель просто моделлю, а другу - макромоделлю.

Легко помітити, що об'єкт, проектуванням яким ми займаємося, займає в блочно-ієрархічній структурі самий нижній рівень, де він зустрічається вперше. Коли у цьому місці ми бажаємо описати його математично, то будемо мати справу з математичною моделлю цього об'єкта. Той самий об'єкт ми зустрічаємо і на сусідньому більш вищому рівні, але там він уже у спроектованому вигляді входить до складу більш складного утворення. Тому його математичний опис можна спростити, скористувавшись макромоделлю. Спрощення, тобто перехід до макромоделі, доцільне тим, що інакше різко зростає кількість рівнянь, визначаючих об'єкт на більш вищому рівні. Характерна особливість макромоделі складається таким чином: об'єкт уявляють у вигляді “чорного ящика” з тією ж кількістю входів та виходів, як і у реального; вихідна реакція цього “ящика” на відповідний вхідний вплив повинна бути близькою до вихідної реакції вихідного об'єкту.

Є ще одна особливість блочно-ієрархічного підходу: для одного й того ж виробу складність рівней може бути різна. Так пристрій сканера (рис.3) можна компонувати по-різному. У одному варіанті до складу системи випромінення ввійде направлений відгалужувач, до якого через відповідні розніми приєднується приймач та передавач. Інші варіанти одержують, якщо направлений відгалужувач ввести до складу приймача або передавача. Як будуть сформовані рівні, залежить від багатьох обставин, зокрема від наявності потрібних фахівців, існуючої структури підрозділу на виробництві і т. і.

Після того, як установлена блочно-ієрархічна структура, формується ТЗ на об'єкти кожного рівня. Відбувається це послідовно, з більш вищого рівня на більш нижчий. Наприклад (рис.3), ТЗ на передавач надійде з рівня вироба, а ТЗ на вузли передавача - з рівня пристроїв. Розробник вузлів приймає рішення про компоненти: використовувати стандартні або розробляти нові. На нові компоненти формулюється ТЗ.

Розглянемо, які види проектування треба здійснити на рівні вузлів (рис.3). Для конкретності візьмемо вузли передавача. У ході проектування цих вузлів повинна бути створена схема і розроблена конструкція. Для виготовлення вузла необхідно визначити технологію. Тому кажуть, що на рівні вузлів треба провести схемотехнічне й конструкторсько-технологічне проектування. Звернемо увагу на певну умовність у поділу проектування вузла на два вказаних типа. У ряді випадків, наприклад при розробці вузлів НВЧ, не вдається відділити схемотехнічне проектування від конструкторсько-технологічного. В ході викладу подальшого матеріалу ми збережемо поділ проектування вузла на два види й сконцентруємо увагу на схемотехнічному проектуванні.

3. Структура проектування схеми вузла

При автоматизації будь-якого процесу, зокрема проектування, виникає необхідність формально описати його. З цією метою утворюється структурна схема проектування, якою ми скористаємось, трохи видозмінивши її (рис.4), для з'ясування суттєвості схемотехнічного проектування на рівні вузлів.

Для визначеності будемо мати на увазі розробку схеми підсилювача потужності передавача. Читач, бажаючий поповнити знання про процеси у транзисторному підсилювачі потужност. ТЗ на підсилювач, як й на всякий об'єкт проектування, складається з трьох частин. Нехай у першій частині сформульовані вимоги до вихідних характеристик (Рвих min на середній частоті, смуга частот з урахуванням критерію, по якому вона визначається і т. і.). У другій частині зазначені параметри зовнішнього середовища (діапазон робочих температур, межі зміни живлячої напруги, вихідного навантаження, потужності на вході і т. і.). Розглянемо, звертаючись до рис.4, як традиційно, тобто без допомоги ЕОМ, відбувається розробка схеми підсилювача.

Рисунок 4 - Структурна схема проектування на рівні вузлів

Розробник, отримавши ТЗ, аналізує його і вигадує (синтезує) структуру майбутнього підсилювача. Цей крок не можна описати формально, він являється творчим актом, тому що немає правил, керуючись якими, можна було б із технічних потреб визначити структуру підсилювача, задовольняючого цим вимогам.

Рисунок 5 - Структура проектуємого підсилювача потужності

Припустимо, основуючись на даних по розробці інших підсилювачів, користуючись своєю досвідченістю та інтуіцією, розробник зупинився на варіанті (рис.5): в підсилювачі буде використаний транзистор, який може забезпечити потрібну потужність при ввімкненні його по схемі із загальним емітером; у вхідному колі узгодження буде використаний Т - фільтр, а на виході - П - фільтр.

Наступний крок в розробці (рис.4) - складання моделі. Він необхідний для того, щоб обрати початкові значення параметрів. Припустимо, прийнято рішення: описати транзистор зарядовою моделлю з апроксимацією нелінійних функцій відрізками прямих; у фільтрах на вході та виході (рис.5) елементи Z1,2,6 позначити індуктивностями із втратами, а Y3,4,5 - ємностями.

Вибір початкових значень параметрів у започаткованій моделі підсилювача виконуємо за допомогою інженерної методики розрахунків після визначення із паспортних даних параметрів моделі транзистора. В результаті розрахунків на середній частоті знайдемо режим транзистора (постійну напругу на його виходах і постійні струми, протікаючі крізь них, а також амплітуди перших гармонік напруги і струмів) та визначимо значення ємностей і індуктивностей у фільтрах.

Отриманих знань досить для створення первісного варіанта підсилювача - його макета. Чи буде цей варіант задовольняти потребам ТЗ? Прикро, але у більшості випадків відповідь заперечна. Причина такого результату у великій похибці методики розрахунків, обумовленої знехтуванням цілим рядом факторів як у використаних моделях, так і в розрахункових співвідношеннях. Отримати більш точні результати при розрахунку вручну практично неможливо. Отож традиційне проектування орієнтується на обробку схеми в натурному макеті. Іншими словами, розробник, добиваючись задовільнення технічних потреб на макеті, намагається врахувати вплив факторів, якими він знехтував при розрахунку.

На рис.4 процедура обробки схеми на макеті здійснюється в блоках, обведених штрих-пунктирною лінією: вимірюються вихідна характеристика при деяких значеннях параметрів (блок “аналіз”), результати зрівнюються з вимогами ТЗ (логічний блок 1), при отриманні негативної відповіді у цьому та сусідньому блоках змінюються параметри, і все починається спочатку. Так робиться до тих пір, поки в логічних блоках 1 та 2 не будуть отримуватися позитивні відповіді. У першому випадку це означає, що потреби ТЗ виконуються і схема розроблена, у іншому - що при заданій структурі підсилювача не можна задовольнити ТЗ. Тоді необхідно змінювати структуру підсилювача і повторяти увесь процес спочатку. Якщо потреби не задовольняються при переборі можливих варіантів структури (відповідь “так” у логічному блоці 3), то необхідна корекція ТЗ. Для цього треба виходити на рівень, із котрого надійшло ТЗ.

Насамперед до того як обговорювати труднощі, з якими стикаються при традиційному проектуванні, відмітимо кілька важливих моментів.

Описана процедура підбору параметрів макета має рутинний характер. Кажучи інакше, цю процедуру можна описати формально і, отже, автоматизувати. Сказане має слушність і у відношенні вибору початкових значень параметрів проектованого підсилювача.

Вище відмічався творчий характер синтезу структури. Очевидно, що важко формалізувати вибір моделі, хоча, можливо, у меншій мірі, ніж синтез структури.

Розглянутий за допомогою рис.4 процес проектування підсилювача визначає ітераційний характер розробки: створюється деякий проектний варіант, після чого цикл повторяють знову. Необхідність ітерацій викликана тим, що немає можливості зробити точний синтез, тобто знайти таку структуру і її параметри, які гарантували відповідність вимогам ТЗ.

Описаний перебір параметрів підсилювача з метою задовольнити ТЗ зветься параметричним синтезом. Його можна зробити, підпорядкував деякому критерію. У цьому випадку кажуть про параметричну оптимізацію. Наприклад, підсилювач можна оптимізувати щодо мінімальної потреби живлячої потужності від джерела живлення. Якщо структурний синтез проводиться на основі якогось критерію, то його також називають структурною оптимізацією.

Звернемо увагу на можливість використання рис.4 для опису процесу проектування не тільки вузлів, але й об'єктів інших рівнів, а також розповсюдження його на інші види проектування (наприклад, конструкторсько-технологічне).

4. Труднощі традиційного проектування

Щоб зрозуміти труднощі, які з'являються в ході відпрацювання макета, нагадаємо ціль макетування. Вона полягає в отриманні таких даних про пристрій (наприклад, про підсилювач потужності), по яким його можна було б передати у виробництво, до того ж повинна бути впевненість, що після виготовлення ций пристрій буде задовольняти ТЗ.

За наявною простотою переказаного залишається великій об'єм вимірювань та випробувань. Дійсно, спочатку треба домогтися, щоб вимоги задовольнялись при номінальних значеннях параметрів зовнішнього середовища. У випадку з підсилювачем потужності це означає, що вимоги ТЗ повинні виконуватися при нормальній температурі навколишнього середовища, номінальних значеннях живлячої напруги, опорі навантаження і т. і. Відтак потрібна перевірка характеристик підсилювача в умовах варіації живлячої напруги, опору навантаження, температури та зміни інших чинників, обговорюваних в ТЗ. Нарешті, буде потрібно визначити працездатність підсилювача при розкиді параметрів елементів у межах допуску на них.

Кожний з трьох згаданих кроків, досить трудомісткий сам по собі, може неодноразово повторюватися в силу прийнятого вище ітераційного характеру проектування. Більш того, на кожному кроці не виключено перебільшення гранично досяжних напруг або струмів в якому-небудь елементі (наприклад, у транзисторі), що приведе до виходу цього елемента з ладу, що збільшить втрати часу на розробку. Щодо розкиду параметрів елементів, то облік його можливий, якщо є набір компонентів із крайніми значеннями параметрів, припустимими технічними умовами на використання деталей. Таким набором проектувальник, застосовуючи тільки що розроблені компоненти, як правило, не розпоряджується. Все це приводить або до затримання терміну, або до неповної обробки всіх питань, тобто до неякісного проектування.

Як наслідок низька якість розробки макета може виявитися на будь-якому наступному етапі: у дослідному виробництві, при типових або державних випробуваннях, у ході виготовлення серії. Недоліки, виникаючі на кожному з перелічених етапів, вкрай неприємні, але особливо вони болісні у серійному виробництві. Тут розробник повинен започаткувати вкрай термінові заходи, оскільки виробництво зупиняється при виході якого-небудь показника за межі потреб технічних умов.

Здолати перелічені труднощі традиційного проектування вдається за допомогою ЕОМ. Звернемось знову до прикладу з транзисторним підсилювачем потужності для медичного сканера. Припустимо, завершена підготовка до виготовлення макета. Отже є схема підсилювача, відомо тип транзистора і його параметри, визначені номінали інших елементів схеми. Припустимо, процеси в підсилювачі можна описати математично, до того із гарною точністю. Термін “гарна точність” потребує пояснень. Поки цього робити не будемо і покладемось на інтуїтивне уявлення. Вводячи математичний опис у ЕОМ, здійснимо машинне моделювання, уточнимо параметри, досягнув задоволеня технічних потреб: розглянемо вплив температури, живлячої напруги, навантаження, вхідної потужності; зважимо на розкид параметрів у компонентах схеми, виявимо запас з гранично припустимих режимів і т. і.

Очевидно, що машинне моделювання можна здійснити швидше та краще, чим натуральне макетування. Само собою зрозуміло, простіш та швидше змінити параметр елемента при розрахунках, чим фізично уявити цей елемент в макеті. Зміна параметра того або іншого компонента не викликає вихода із ладу схеми. Відпадає проблема створення набору елементів із крайніми значеннями параметрів.

Таким чином, наглядно видно можливості, які придбає розробник, використовуючи ЕОМ у ході проектування. Проте потрібно підкреслити, що у порівнянні з традиційним проектуванням відмічені переваги реалізуються при здійснені ряда умов.

Насамперед, потрібна математична модель розробляємого об'єкта, в якій враховувались всі фактори, практично впливаючих на його вихідну характеристику (ця умова у деякій мірі роз'яснює термін “ гарна точність ” моделі).

По-друге, повинні бути відомі параметри математичної моделі.

По-третє, треба створити алгоритми розрахунків, задіяні у ході машинного моделювання,

По-четверте, по розробленим алгоритмам належить скласти програму для ЕОМ.