Модулятор мощного импульсного передатчика сверхширокополосной импульсной помехи

• Раздел 1. Расчетно-теоретический
• 1.1 Описание структурной схемы мощного импульсного передатчика
• 1.1.1 Классификация радиоэлектронных помех
• 1.1.2 Методы и средства электромагнитного поражения радиоэлектронных средств
• 1.1.3 Структурная схема мощного импульсного передатчика
• 1.1.4 Принцип работы и описание структурной схемы мощного импульсного передатчика.
• 1.2 Выбор и обоснование структурной схемы модулятора МИП
• 1.2.1 Анализ возможных вариантов построения модулятора
• 1.2.2 Выбор и обоснование структурной схемы синтезатора частоты
• 1.2.3 Выбор и обоснование структурной схемы ФСИП
• 1.2.4 Описание структурной схемы модулятора
• 1.3 Разработка принципиальной электрической схемы
• 1.3.1 Выбор и обоснование ЭБ модулятора.
• 1.3.2 Коды управления коэффициентами деления синтезатора частоты
• 1.3.3 Расчет потребляемой мощности
• 1.3.4 Описание принципиальной схемы
• 1.4 Радиоэлектронная защита
• Раздел 2. Конструкторско-технологический
• 2.1 Патентный поиск и разработка ТЗ на конструкцию модулятора
• 2.1.1 Патентный поиск
• 2.1.2 Разработка ТЗ на конструкцию модулятора
• 2. Внешний вид, габаритные размеры (мм) и подключение выводов:
• 2.2.1 Разработка конструкции печатного узла
• 2.2.2 Конструкторско-технологический расчет платы
• 2.2.3 Расчет проводящего рисунка по постоянному току [10]
• 2.2.4 Расчет проводимого рисунка по переменному току [10]
• 2.2.5 Расчет теплового воздействия [10]
• 2.2.6 Расчет защиты от механических воздействия [10]
• 2.2.7 Расчет действия удара
• 2.3 Расчет технологичности
• 2.4 Расчет надежности блока
• 2.5 Технологический процесс сборки и монтажа печатного узла
• 2.6 Оценка качества конструкции РЭА
• Раздел 3. Технико-экономический
• 3.1 Обоснование схемных решений при разработке схемы устройства
• 3.2 Выбор базового варианта
• 3.3 Сравнительная оценка технического уровня продукции
• 3.4 Расчет себестоимости модулятора
• 3.4.1 Сырье и материалы
• 3.4.2 Покупные комплектующие изделия
• 3.4.3 Основная заработная плата производственных рабочих
• 3.4.4 Дополнительная заработная плата производственных рабочих
• 3.4.5 Отчисления на социальные нужды из заработной платы производственных рабочих
• 3.4.6 Расходы на подготовку и освоение производства
• 3.4.7 Износ инструментов и приспособлений целевого назначения и социальные расходы
• 3.4.8 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
• 3.4.9 Общепроизводственные расходы
• 3.4.10 Общехозяйственные расходы
• 3.4.11 Прочие производственные расходы
• 3.4.12 Внепроизводственные расходы
• 3.4.13 Калькуляция себестоимости проектируемого изделия
• Раздел 4. Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда. Экологическая безопасность
• 4.1 Обеспечение требований охраны труда и экологии при выполнении технологического процесса
• 4.2 Расчет освещенности
• 4.2.1 Расчет освещенности
• Коэффициент пульсации.
• 4.3 Обеспечение пожарной безопасности на рабочем месте
• 4.4 Мероприятия по продолжению производства блока в чрезвычайной ситуации
• Заключение
• Литература
• Приложение

Перечень сокращений

ПЧ — преобразователь частоты МИП — мощный импульсивный передатчик ФСИП — формирователь случайной импульсной последовательности СЧ — синтезатор частоты МП — мультиплексор АБ — антенный блок СУ — система управления ВИК — выходной импульсный каскад РЭБ — радиоэлектронная борьба РЭП — радиоэлектронное подавление РЭС — радиоэлектронные средства РЭА — радиоэлектронная аппаратура ОВПФ — опасные и вредные производственные факторы ПДК — предельно допустимая концентрация

Реферат

Пояснительная записка на __ страницах, 19 рисунков, 18 таблиц, 18 источников, 3 приложения.

РАДИОЭЛЕКТРОННА БОРЬБА, МОДУЛЯТОР, ПЕРЕДАТЧИК, ГЕНЕРАТОР, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОРАЖЕНИЕ, ПОДАВЛЕНИЕ, ИМПУЛЬС, СИГНАЛ.

Дипломный проект состоит из введения, расчетно-теоретического раздела, конструкторско-технологического раздела, технико-экономического раздела и раздела безопасности жизнедеятельности и охраны труда.

Во введении определяется форма и актуальность задачи. В 1-ом разделе рассмотрена структура системы, рассмотрен способ реализации функциональной схемы, выбрана элементарная база и разработана принципиальная электрическая схема. Во 2-ом разделе проводится патентный поиск, разработана конструкция блока и технологический процесс его сборки. В 3-ем разделе рассчитана себестоимость блока, рассчитан экономический эффект, выбран базовый вариант и проведен сравнительный анализ технико-экономических показателей. В 4-ом разделе выявлены требовании по безопасности жизнедеятельности и экологии при выполнении технологического процесса и эксплуатации устройства. В заключении приведены основные результаты, сделаны выводы по дипломному проекту.

модулятор импульсный помеха передатчик

Раздел 1. Расчетно-теоретический

1.1 Описание структурной схемы мощного импульсного передатчика

1.1.1 Классификация радиоэлектронных помех

Радиоэлектронные помехи — это непоражающие электромагнитные излучения, которые ухудшают качество функционирования подавляемых РЭС (затрудняют или исключают выделение полезной информации, ведение радиопереговоров и обнаружение целей, снижают дальность лействи РЭС и точность сопровождения объектов, приводят к срыву сопровождения и т. д.)

Радиоэлектронные помехи классифицируются по различным признакам (рис. 1.1). По происхождению различают естественные, организованные (умышленные) и взаимные помехи. Естественными являются помехи природного происхождения: атмосферные, образуемые электрическими процессами в атмосфере; космические, вызываемые электромагнитным излучением Солнца, звезд и Галактики; спорадические (нерегулярные) электромагнитные излучения околоземного пространства, вызываемые потоками заряженных частиц в ионосфере и магнитосфере; радиоизлучений полярных синий и радиационных поясов Земли; отражения от метеорологических образований (дождя, снега, града, облаков), земной, водной поверхности и др.

Организованные (умышленные) помехи создаются устройствами, излучающими энергию электромагнитных колебаний, или отражателями, рассеивающими энергию падающих на них волн.

Взаимные (непреднамеренные) помехи, вызываемые источниками искусственного происхождения.

По виду используемых излучений, энергия которых воздействует на РЭС, радиоэлектронные помехи подразделяют на электромагнитные и акустические. Электромагнитные (акустические) помехи — это непоражающие электромагнитные (акустические) излучения, которые ухудшают качество функционирования РЭС, работающих на принципе приема, усиления и преобразования энергии электромагнитных (акустических) волн. Электромагнитные помехи, создаваемые в диапазоне радиоволн, называют радиопомехами, в диапазоне световых волн — световыми (оптико-электронными) помехами. Акустические помехи, создаваемые в водной среде, называют гидроакустическими.

По способу формирования (реализации) помехи подразделяют на активные, генерируемые специальными передатчиками, и пассивные, образуемые в результате рассеяния (отражения) различными объектами электромагнитных (акустических) волн, излучаемых РЭС.

По эффекту (характеру) воздействия на РЭС различают маскирующие, ухудшающие характеристики приемного устройства РЭС, и имитирующие помехи, вносящие ложную информацию в подавляемые средства.

По соотношению основных параметров сигналов и помех различают заградительные (по времени, по углу, по частоте), заведомо перекрывающие значения своих параметров (фП, бП, ДfП.) и прицельные помехи, имеющие значения параметров, сравнимые с протяженностью областей значений параметров сигнала.

1.1.2 Методы и средства электромагнитного поражения радиоэлектронных средств

Рассмотренные выше электронные помехи позволяют существенно ухудшить характеристики подавляемых РЭС, но более радикальными являются мощные электромагнитные. Они позволяют либо уничтожить РЭС, либо вывести его из строя на определенный интервал времени. В литературе поражающие электромагнитные воздействия иногда называют деструктивными (функциональными) помехами, а соответствующие средства — СВЧ-оружием функционального поражения.

В принципе для поражения электронной аппаратуры достаточно малые плотности потока энергии СВЧ излучения. Например, для вывода из строя противокорабельной ракеты требуемая величина плотности потока энергии осколков массой не менее 1 г. достигает 105Дж/м2, ударной волны — 5*104 Дж/м2, а СВЧ импульса длительностью 1 мкс — (1ч10) Дж/м2. Но при этом нужно учитывать значительное затухание СВЧ колебаний в атмосфере, а так же чрезвычайно малый коэффициент полезного действия многих источников мощного электромагнитного излучения. Например, в электромагнитных боеприпасах в СВЧ излучение преобразуется значительно меньшая доля энергии взрыва (10−5 — 10−6 процента), чем в энергию осколков и ударной волны. Поэтому не следует переоценивать эффективность средств электромагнитного поражения РЭС, хотя они интенсивно развиваются и будут играть все более важную роль в радиоэлектронной борьбе.

Эффект функционального поражения РЭС определяется главным образом степенью защищенности элементной базы РЭС от воздействия мощного СВЧ излучения и слабо зависит от назначения и типа РЭС. Это воздействие может привести к:

1. Невосстанавливаемым (катастрофическим, необратимым) отказам;

2. Восстанавливаемым (временным) отказам;

3. Функциональным нарушениям в РЭС, характерным для традиционных видом помех (ложным срабатываниям исполнительных схем, искажениям выходных сигналов и т. д.)

Первый вид отказов РЭС иногда называют функциональным поражением, а второй и третий — функциональным подавлением.

Восстанавливаемые отказы могут быть как с сохранением, так и с ухудшением параметров РЭС после восстановления их работоспособности. При этом интервал временного выхода из строя элементов РЭС изменяется в широких пределах — от единиц миллисекунд до десятков минут.

Наиболее уязвимыми при воздействии мощного СВЧ излучения являются чувствительные элементы входных устройств приемников РЭС. Помеховое излучение может проникать через антенну, так и, минуя ее, через технологические щели, люки обслуживания и вентиляционные люки, цепи питания, провода, кабели.

При взаимодействии мощных СВЧ колебаний с элементами и узлами РЭС могут наблюдаться два эффекта:

1. наведение на контурных элементах (выводах полупроводниковых приборов, печатных проводниках и т. д.) СВЧ мощности, которая приводит к электрическим перегрузкам — «антенный эффект» ;

2. непосредственное взаимодействие СВЧ импульсов со структурой полупроводникового элемента.

Величина амплитуды наведенных электрических сигналов в элементах и узлах РЭС зависит от:

1. основных параметров мощных СВЧ колебаний (мощности, частотного диапазона, длительности импульса и т. д.);

2. геометрических размеров и конструктивных особенностей элементов РЭС, из взаимной ориентации;

3. электрических режимов работы схем.

Классификация эффектов, возникающих в элементах РЭС при воздействии токов и напряжений, наведенных мощными электромагнитными излучениями, приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Классификация эффектов в элементах РЭС при воздействии мощных электромагнитных излучений.

Причиной невосстанавливаемых отказов в большинстве случаев является тепловой пробой поражаемых полупроводниковых структур. Для длительностей импульсов СВЧ — излучения более 100нс критериальный уровень поражения (пороговое значение мощности Pпор — разрушающей структуру в результате тепловыделения) оценивается с помощью формулы Вунша-Белла:

Pпор = A · + B ·

где — длительность мощного СВЧ — импульса; А, В и С — коэффициенты, зависящие от зоны перехода полупроводниковых материалов, их теплоемкости теплопроводности, температуры нагрева и условий теплосъема.

Для «коротких» импульсов (0,1 — 1 мкс) наибольший вклад в вносит первое слагаемое (пропорциональное), в диапазоне = 1ч 10 мкс — второе слагаемое, а для > 10 мкс — третье слагаемое.

Формулу (3.1) можно записать и для энергии поражения

На рис. 1.3 представлены графики усредненных зависимостей пороговой энергии поражения от длительности СВЧ-импульсов для ТТЛ-схем, планарных транзисторов (рис. 1.3 а) и интегральных макросхем с диэлектрической изоляцией элементов, гибридных аналоговых и цифровых микросхем (рис. 1.3 б) в логарифмической шкале.

а)

б).

Рис. 1.3 Зависимости пороговой энергии поражения транзисторных элементов (а) и микросхем (б) от длительности импульсов.

Интервалы между кривыми 1,3 для ТТЛ-схем и 2,4 для планарных транзисторов определяют возможные диапазоны соответствующих критериальных уровней поражения.

Зависимости 2,5 и 3,4 (рис. 1.3, б) определяют соответственно нижнюю (линии 2,3) и верхнюю (линии 5,4) границы диапазонов возможных криериальных уровней поражения гибридных цифровых и аналоговых микросхем, а зависимость 1 (линия 1) — интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией элементов.

Анализ графиков позволяет сделать вывод о границе применимости модели Вунша-Белла и о том. что энергия поражения убывает с укорочением СВЧ-импульса. Этот вывод очень важен для практического применения средств для электромагнитного (функционального) поражения.

Резкое уменьшение энергии на интервале от 100 до 5.10нс свидетельствует, по-видимому, о переходе где-то между 10 и 5 нс к другому механизму поражения, при котором главным фактором становится напряженность электрического поля СВЧ — импульса и скорость ее изменения, а нагрев является лишь фоном.

При длительностях импульсов СВЧ — излучения порядка единиц и десятков наносекунд функциональное поражение полупроводниковых структур может сопровождаться процессами, не укладывающимися в рамки тепловых моделей. Физические механизмы воздействия таких (сверхкоротких) СВЧ — импульсов на полупроводнике изучены еще недостаточно глубоко. Экспериментально установлено, что воздействие таких импульсов проводит чаще всего к возникновению временных отказов. Диапазон критериальных уровней поражения РЭС — главного параметра, определяющего невосстанавливаемые и восстанавливаемые отказы элементов поражаемых РЭС — составляет четыре-пять порядков. На рис. 1.4 приведены типовые данные о критериальных уровнях поражения различных полупроводниковых элементов (1-мощные транзисторы; 2-тринисторы; 3-германиевые транзисторы; 4-переключающие транзисторы; 5-маломощные транзисторы; 6-выпрямительные диоды; 7-опорные диоды; 8-коммутирующие диоды; 9-диоды с точечным контактом; 10-СВЧ — диоды; 11 — интегральные микросхемы).

Рис. 1.4 Критериальные уровни поражения полупроводниковых элементов

Из рисунка видно, что минимальные критериальные уровни (наиболее уязвимы при воздействии мощного СВЧ — излучения) имеют СВЧ — диоды, используемые во входных трактах приемников (в преобразователях частоты), а максимальные уровни — мощные транзисторы, используемые в источниках питания.

Экспериментально установлено, что среди интегральных микросхем (ИМС) малого и среднего уровня интеграции наименьшие критериальные уровни поражения у ИМС с планарными выводами и ИМС с барьером Шоттки. Еще более уязвимы большие интегральные микросхемы (БИС), имеющие значительное число элементов на одном кристалле и весьма малые размеры отдельных p-n-p и МОП — переходов, а также токоведущих линий.

1.1.3 Структурная схема мощного импульсного передатчика

Структурная схема мощного импульсного передатчика представлена на рис. 1.5.

Сокращения используемые на рис. 1.5.

УУМ — устройство управления модулятором;

ФСИП — формирователь случайной импульсной последовательности;

СЧ — синтезатор частот;

МП — мультиплексор;

ВИК — выходной импульсный каскал;

СУ — система управления ВИК;

АБ — антенный блок.

1.1.4 Принцип работы и описание структурной схемы мощного импульсного передатчика.

Принцип действия антенного блока.

АБ содержит четыре и более каналов (на рис. 1.5 показан один канал). Импульсы ЭМП синхронно излучающих антенн суммируется в пространстве, создавая мощный электромагнитный импульс с широким спектром.

Генератор импульсов выходного каскада.

Генератор импульсов совместно с антенным блоком обеспечивает необходимые параметры выходного радиоимпульса (амплитуда, мощность, длительность). ВИК вносит ограничения на частоту следования импульсов, т.к. после формирования каждого импульса должно пройти время восстановления t вост. ВИК запускается после прихода выходного импульса модулятора.

Система управления ВИК.

Система управления производит запуск ВИК по импульсам приходящим от модулятора. СУ формирует необходимые сигналы управления ВИК, а так же следит за тем, чтобы в течении t вост. импульсы с выхода модулятора не поступали на вход ВИК.

Мультиплексор.

Мультиплексор служит для формирования импульсных последовательностей.

Режим «А» — режим формирования сетки частот. Частота на выходе модулятора равна частоте на выходе синтезатора частот.

Режим «В» — режим формирования случайной импульсной последовательности. Частота на выходе модулятора равна частоте на выходе ФСИП.

Синтезатор частот.

Синтезатор частот с ФАПЧ формирует сетку частот с шагом от 0,1 МГц до 4,0 МГц.

Формирователь случайной импульсной последовательности.

Формирователь случайной импульсной последовательности работает по импульсам, поступающим от синтезатора частот, осуществляя манипуляцию периода следования импульсов.

Устройство управления модулятором.

Устройство управления модулятором обеспечивает согласованную работу всех блоков, ввод кодов делителя с переменным коэффициентом деления синтезатора частот, переключения входных каналов мультиплексора.

1.2 Выбор и обоснование структурной схемы модулятора МИП

1.2.1 Анализ возможных вариантов построения модулятора

При построения модулятора надо выполнить следующие требования:

коэффициент перекрытия KП = 40;

формирование сетки частот;

формирование случайной импульсной последовательности;

уменьшить габаритные размеры узла синтеза частот.

Структура модулятора МИП делится на две основные части: синтезатор частот и формирователь случайной импульсной последовательности. Для выполнения требований по массогабаритным характеристикам и характеристики по KП необходимо применить схему синтеза частот на полупроводниковых элементах.

Формирователь случайной импульсной последовательности можно реализовать несколькими способами. Например: генератор белого шума, формирователь М — последовательности. Наиболее подходящим способом является М — последовательность.

1.2.2 Выбор и обоснование структурной схемы синтезатора частоты

В состав блока синтеза частот входят:

1. Делитель с переменным коэффициентом деления — ДПКД с ФАПЧ и ИФД.

2. Перестраиваемый генератор.

3. Преобразователь частоты.

4. Кварцевый резонатор опорной частоты синтезатора частот.

5. Генератор опорной частоты преобразователя частоты.

6. Фильтр нижних частот.

ДПКД с ФАПЧ работает на тактовых импульсах, поступающих от кварцевого резонатора. Импульсы, поступающие от кварцевого резонатора, делятся образцовым делителем частоты. Поделенная образцовым делителем частота поступает на импульсно — фазовый детектор, где происходит сравнение с частотой поделенной программным делителем. В случае расхождения частот ДПКД с ФАПЧ вырабатывает управляющее напряжение, которое управляет емкостью варикапа перестраиваемого генератора. С выхода кварцевого генератора импульсы поступают на преобразователь частоты и на ИФД ДПКД с ФАПЧ. На выходе преобразователя получаем сетку выходных частот.

Цифровой синтезатор частоты (ЦСЧ)

ЦСЦ преобразует входной код в гармоническое или импульсное колебание с соответствующей коду частотой, при этом весь синтезатор или его основная часть реализуется на цифровых ИС.

Синтезатор на основе системы ФАПЧ с ДПКД.

Такой ЦСЧ называют устройством косвенного синтеза в отличии от устройств прямого синтеза, основанных на выполнении операции умножения, деления, суммирования и вычитания частот.

При изменении кода меняется коэффициент деления ДПКД. На вход ДПКД поступают импульсы, формируемые ноль — органом из гармонического колебания управляемого генератора. Импульсы с выхода ДПКД сравниваются по фазе с импульсами опорной частоты F в ИФД.

Напряжение на выходе ИФД пропорционально временному сдвигу т между импульсами на его входах, т. е. характеристика ИФД является пилообразной. Частота на выходе генератора равна:

fоп/M = fГ/N; fГ = (fоп/М· Т); Д = fоп/М;

где fг — частота на выходе синтезатора частот; fоп — опорная частота;

N — коэффициент деления программного делителя частоты;

M — коэффициент деления образцовой частоты;

Д — шаг сетки частот.

Достоинства ЦСЧ системы ФАПЧ на ИМС:

быстрота конструирования;

простота реализации;

небольшие габариты и вес;

низкое энергопотребление;

низкая цена.

При выборе способа синтеза частот учитывались следующие требования:

миниатюризация;

отечественная элементная база;

простота реализации;

быстрота конструирования.

Выбор сделан в пользу синтезатора ФАПЧ с ДПКД на отечественной микросхеме 15ФЛ103Б. Другие методы синтеза частот, такие как:

синтез на основе импульсных последовательностей или параллельных кодов;

синтез на основе формирования отсчетов синтезируемого колебания;

полиноминальный синтез;

комбинированный синтез;

имеют несколько недостатков:

сложность проектирования;

высокая стоимость;

сложность реализации.

1.2.3 Выбор и обоснование структурной схемы ФСИП

1.2.3.1 Формирование псевдослучайной двоичной последовательности (М — последовательности).

Наиболее простым и распространенным генератором ПСДП является регистр сдвига с обратной связью (рис. 1.7.). Регистр сдвига, имеющий длину m бит, тактируется с фиксированной частотой fО. С помощью вентиля Исключающее ИЛИ на вход регистра подается последовательный сигнал, представляющий собой по модулю 2 n-го и последнего (m-го) разрядов регистра. Такая схема проходит совокупность состояний, которая определяется комбинациями битов в регистре после каждого тактового импульса и повторяется через каждые К тактовых импульсов, т. е. является циклической с периодом К.

Рис. 1.7 Генератор М — последовательности.

Число возможных состояний m — разрядного регистра составляет К = 2m, т. е. равно числу двоичных комбинаций из m бит. Однако состояние, когда в регистре содержаться все 0, является для данной схемы «тупиковым», поскольку Исключающее ИЛИ будет формировать на входе 0. Вследствие этого максимальная длина последовательности, которую можно сформировать с помощью данной схемы, равна 2m — 1, оказывается, что получать такие последовательности максимальной длины можно лишь в том случае, если m и n выбраны правильно и результирующая последовательность битов является псевдослучайной, (критерием для определения оптимальной длины служит неприводимость полинома 1+хn+xm и его первичность на поле Галуа).

Точки подключения обратной связи.

Регистры сдвига максимальной длины можно строить, используя и более двух точек для подключения обратной связи через вентиль Исключающее ИЛИ. В этих случаях можно подключать несколько вентилей Исключающее ИЛИ, объединяя их в паритетное дерево по обычной схеме, т. е. суммируя по модулю два несколько битов. При некоторых m для построения регистра максимальной длины требуется более двух точек подключения ОС. Ниже приводится таблица всех значений вплоть до 33, при которых для построения регистра максимальной длины достаточно двух точек подключения ОС, т. е. обратная связь, как и в предыдущем случае, берется с n-й и — й (последней) ячейки. Значение n и циклической длины измеряются числом периодов тактовой частоты. Иногда n может иметь более одного значения, в любом случае вместо n можно взять m-n. Длина регистра сдвига обычно выбирается кратной 8. В этом случае требуется более двух точек подключения ОС. Эти цифры приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1 Эффективность точки подключения ОС генератора М — последовательностей.

1.2.3.2 Структурная схема формирователя случайной импульсной последовательности (М — последовательности)

Структура формирователя случайной импульсной последовательности представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8 Структура формирователя случайной импульсной последовательности.

1.2.4 Описание структурной схемы модулятора

Структурная схема модулятора мощного импульсного передатчика представлена на рис. 1.9.

Сокращения, используемые на рис. 1.9.

ДПКД — делитель с переменным коэффициентом деления;

ФСИП — формирователь случайной импульсной последовательности;

МП — мультиплексор;

ФИ — формирователь импульсов.

Синтезатор частоты получает коды управления коэффициентом деления опорной и образцовой частот. На выходе СЧ формируется соответствующая кодам управления частота, которая приходит на МП и ФСИП. МП переключает каналы: сетки частот — выход СЧ и выход ФСИП — случайная импульсная последовательность. Таким образом выбирается режим работы модулятора: режим «А» или «В», после МП сигнал поступает на ФИ ВИК.

1.3 Разработка принципиальной электрической схемы

1.3.1 Выбор и обоснование ЭБ модулятора.

Таблица 1.2 Сравнение параметров различных серий МС.

Для выбора элементной базы модулятора были предъявлены следующие требования:

время задержки распространения сигнала tр;

высокое значение крутизны фронта логических сигналов Sф;

малая длительность фронта смены логических уровней для данной серии микросхем;

помехоустойчивость;

диапазон рабочих температур;

наличие в используемой серии функционального элемента D-триггера;

доступность применяемой серии.

Для реализации функциональных узлов выбрана серия КР1554. В данной серии имеются D-триггеры, большая длительность фронта компенсируется максимальной крутизной.

Сравним серию КР1554 с серией К6500 (длительность фронта у К6500 в четыре раза меньше, чем у КР1554). Временная стабильность, различается в единицы пикосекунд. В то же время для серии К6500, имеющей уровень логической единицы равный 1,5 В, необходимо согласование на выходе в виде преобразователя уровней напряжения. Для питания требуется два источника питания с высокой стабилизацией по уровню. Наконец помехозащищенность равна 0,1 В и является минимальной из всех рассмотренных.

1.3.1.1 Кварцевый генератор ГК44-П.

1. Основные параметры:

1. номинальная частота от 32КГц до 75МГц;

2. суммарная нестабильность частоты, режим «А» режим «В»

включающая в себя: <+/25*106 <+/-40*106

температурная зависимость

в интервале 0 + 70 40 + 70

точность настройки при 25

старение за 1 год;

стабильность при изменении напряжения питания +/-10%.

3. напряжение питания 5В+/-10%;

4. потребляемый ток <5…10мА;

5. выходной сигнал КМОП;

6. нагрузка 5 входов КМОП или 2 входа LS ТТЛ.

2. Внешний вид, габаритные размеры (мм) и подключение выводов:

Назначение выводов:

1. не используется;

2. общий (корпус);

3. выход сигнала рабочей частоты;

4. напряжение питания, Uпит.

3. Условия эксплуатации.

Диапазон рабочих температур:

режим «А» 0 + 70

режим «В» 40

Предельно допустимые температуры — 55

1.3.1.2 ДПКД с ФАПЧ.

Быстродействующая микросхема КФ1015ПЛЗ.

Микросхема серии КФ1015ПЛ3 выпускают в пластмассовом 16-ти миниатюрном выводном корпусе 4308.16−1. Масса прибора — не более 0,3 г.

Цоколевка микросхемы:

выв.1 — общий для приемного и буферного регистров, тракта программируемого делителя частоты и частотно-фазового детектора, минусовой вывод питания.

выв.2. — зарядный выход частотно-фазового детектора (сток полевого транзистора с р-каналом).

выв.3. — разрядный выход частотно-фазового детектора (сток полевого транзистора с n-каналом).

выв.4. — контрольный выход индикации фазовой синхронизации в петле ФАПЧ.

выв.5. — ВЧ вход усилителя — формирователя тракта программируемого делителя.

выв.6. — выход программируемого делителя.

выв.7. — вход разрешения перезаписи информации из приемного регистра в буферный (Т).

выв.8. — вход тактовых импульсов записи информации.

выв.9. — плюсовой вывод питания.

выв.10. — вход записи информации о коэффициентах деления (D).

выв.11. — вывод для подключения кварцевого резонатора; выход генератора образцовой частоты.

выв.12. — вывод для подключения кварцевого резонатора; вход сигнала внешнего генератора образцовой чистоты.

выв.13. — вход сигнала отключения выхода делителя образцовой частоты (при уровне 1).

выв.14. — выход делителя образцовой частоты (при уровне 0 на выводе 13).

выв.15. — общий для генератора и делителя образцовой частоты, минусовой вывод питания.

выв.16. — контрольный выход контрольного регистра.

Основные технические характеристики микросхемы КФ1015ПЛЗ приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Основные технические характеристики.

Программирование коэффициентов деления тракта программируемого делителя частоты и делителя образцовой частоты выполняют с помощью управляющего кода, подаваемого на входы приемного и буферного регистра (выводы 7,8,10) в последовательном двоичном коде с генератора информационного слова — микропроцессора или контроллера. Формат управляющего кода и осциллограммы управляющих сигналов представлены на конкретном примере рис. 1.10 и табл.1.3.

Первым в приемный регистр вводят биты 1−3 управляющего кода, определяющие выбор коэффициента деления No (табл.1.4). Биты вводят последовательно, начиная с первого.

Биты 4−20 определяют в двоичном коде коэффициент деления N тракта программируемого делителя (4-й бит старший). Скорость введения информации в приемный регистр — не более 5 Мбод. Логические уровни управляющих сигналов по выв.7, 8, 10, 13: низкий — менее 0,3Uпит, высокий — более 0,7Uпит.

Таблица 1.3 Формат управляющего кода.

Рис. 1.10 Осциллограммы управляющих кодов.

Таблица 1.4 Управляющие коды коэффициента деления образцовой частоты.

1.3.1.3 Тактируемый регистр сдвига.

Дискретная линия задержки представляет собой — набор последовательно соединенных D-триггеров, при этом шаг дискретизации и ошибки определяются свойствами кварцевого генератора. КР1554ТМ9. Шесть D-триггеров с общим входом установки. Аналог — 74АС174 фирмы National, USA.

Микросхема КР1554ТМ9 содержит шесть D-триггеров. Все триггеры имеют общие входы асинхронного сброса R (установки в состояние низкого уровня) и входа синхронизации С. Триггеры микросхемы имеют только прямые выходы данных DN. Установка всех триггеров в состояние низкого уровня происходит после подачи на асинхронный вход R напряжения низкого уровня. Информацию от входов DN можно загрузить в триггеры, если на вход R подать напряжение высокого уровня, а на вход синхронизации С положительный перепад напряжения (фронт импульса). Состояние одного из триггеров представлено в таблице истинности.

Таблица истинности.

Н — высокий уровень напряжения; | - перепад входного напряжения;

L — низкий уровень напряжения; D — предыдущее состояние на выходе.

· неопределенное состояние;

Расположение выводов:

1. R — вход установки в состояние;

2. D0 — выход данных;

3. D0 — вход данных;

4. D1 — вход данных;

5. D1 — выход данных;

6. D2 — вход данных;

7. D2 — выход данных;

8. 0V — общий вывод;

9. С — вход тактовый;

10. D3 — выход данных;

11. D3 — вход данных;

12. D4 — выход данных;

13. D4 — вход данных;

14. D5 — вход данных;

15. D5 — выход данных;

16. Ucc — напряжение питания.

1.3.1.4 Сумматор по модулю 2.

КР1554ЛП5. Четыре элемента — «Исключающее ИЛИ» .

Аналог — 74АС86 фирмы National, USA.

Микросхема КР1554ЛП5 состоит из четырех двухвходовых логических элементов в одном корпусе, выполняющих функцию «Исключающее ИЛИ»

Таблица Истинности.

H — высокий уровень напряжения;

L — низкий уровень напряжения.

Расположение выводов:

1. D0.0 — вход данных;

2. D0.1 — вход данных;

3. D0 — выход данных;

4. D1.0 — вход данных;

5. D1.1 — вход данных;

6. D1 — выход данных;

7. 0V — общий вывод;

8. D2 — выход данных;

9. D2.0 — вход данных;

10. D2.1 — вход данных;

11. D3 — выход данных;

12. D3.0 — вход данных;

13. D3.1 — вход данных;

14. Uss — напряжение питания.

1.3.1.5 Четыре логических элемента 2И-НЕ.

Микросхема КР1554ЛА3 состоит из четырех независимых логических вентилей в одном корпусе, выполняющих функцию 2И-НЕ. Аналог — 74АСОО фирмы National, USA.

Таблица истинности.

H — высокий уровень напряжения;

L — низкий уровень напряжения.

Расположение выводов:

1. DI1 — вход данных;

2. DI2 — вход данных;

3. D01 — выход данных;

4. DI3 — вход данных;

5. DI4 — вход данных;

6. D02 — выход данных;

7. 0V — общий вывод;

8. D04 — выход данных;

9. DI8 — вход данных;

10. DI7 — вход данных;

11. D03 — выход данных;

12. DI6 — вход данных;

13. DI5 — вход данных;

14. Uss — напряжение питания.

1.3.2 Коды управления коэффициентами деления синтезатора частоты

Синтезатор частоты построен на быстродействующей микросхеме с ДПКД и ФАПЧ — КФ1015ПЛЗ.

Необходимо получить:

диапазон частот от 0,1МГц до 4,0МГц;

шаг сетки частот 0,1 МГц.

N — коэффициент деления программируемого делителя частоты; M — коэффициент деление образцовой (опорной) частоты.

fоп/М = fr/N, M = const = 100, fоп = 10 МГц, fоп/М = 0,1МГц

(fоп/М) N = fr, N = (1…40)

Учитывая, что в состав схемы синтеза частот входит преобразователь частоты, который уменьшает частоту на 10МГц, получим:

N = (101…140)

Код управления коэффициентами деления синтезатора часто представлены в таблице 1.5

1.3.3 Расчет потребляемой мощности

В таблице 1.6. приведены номиналы мощности элементов, учитываемых при расчете потребляемой мощности.

Таблица 1.6.

1.3.4 Описание принципиальной схемы

Управляющие коды коэффициента деления частоты поступают на выводы 7, 8, 10 микросхемы DA2 через разъем Х1. Тактовые импульсы от кварцевого резонатора поступают на делитель образцовой частоты DA2, после на ИФД DA2, выводы 11,12. С вывода 2 DA2 управляющее напряжение поступает на ГУН, управляемый VD4. C ГУНа управляющее напряжение и напряжение с кварцевого генератора DA1 поступает на преобразователь частоты на Т1 и Т2. Преобразованная частота с Т1 подается на операционный усилитель DA3, который увеличивает амплитуду сигнала до требуемой. С выхода DA3 синусоидальный сигнал поступает на вход DA4. На выходе DA4 формируется импульсная последовательность (импульс прямоугольной формы), которая поступает на вход формирователя М — последовательности DD1. Формирователь М — последовательности состоит из 24 триггеров соединенных последовательно. С выхода 18 триггера сигнал поступает на вход сумматора по модулю 2 DD2 и вход DD4, а с 23 и 24 триггера DD6 сигналы поступают на второй вход DD2 и DD4 соответственно. С выхода DD4 выходная импульсная последовательность поступает на первый канал мультиплексора DD7. На второй канал мультиплексора поступает периодическая импульсная последовательность с выхода DA4. Выбор канала мультиплексора производится с помощью управляющего сигнала, который подается контроллером через разъем Х1. Выходной сигнал мультиплексора DD7 поступает на выходной формирователь импульса на VT2. C выхода формирователя импульсов сигнал поступает на разъем Х2 к схеме управления выходным импульсным каскадом. Питание схемы производится с разъема Х1, через конденсаторы С17… С42 и ограничители DA5… DA9.

1.4 Радиоэлектронная защита

Модулятор предназначен для работы в системе с мощным источником излучения (МИП). Т.к. устройство обязано находиться в непосредственной близости от излучателя по конструктивной причине, необходимо принять меры по радиоэлектронной защите.

В соответствии с требованиями, указанными в ТЗ, на устройство воздействует импульсная помеха с напряженностью 500В/м и очень короткой длительностью, частотный диапазон помехи 2ГГц (л=15см) необходимо уменьшить напряженность излучения на модулятор до 10 В/м.

Для оценки эффективности экранирования воспользуемся способом, использующим функцию экранирования Кs.

Ks = F2/F0

где F2 — составляющая напряженности ЭМП за пределами экрана;

F0 — составляющая напряженности поля в той же точке при отсутствии экрана. Исходя из исходных данных К=0,02.

Приближенный способ расчета проводящей оболочки. Основные экранирующие свойства тонких проводящих оболочек, вытекающие из строгих решений в квазистационарном приближении, могут быть получены на основе простых физических соображений, которые позволяют рассматривать не только идеализированные формы оболочек, но и более сложные. [6]

Функции экранирования при воздействии импульса ЭМП с магнитной напряженностью Ho (t) на замкнутую оболочку с характерным размером d — толщиной (Д

Ks = A = fоп/М;

где

ф — длительность импульса помехи;

Д — толщина оболочки;

La — функция, равная для оболочки в виде параллелепипеда высотой 2R и с размерами основания много большими высоты — 4

м0 — магнитная постоянная;

е0 — электрическая постоянная.

Приравняв два эти равенства, найдем требуемую толщину оболочки экрана

Д=0,035 мм. Т.о. достаточно взять для синхрогенератора корпус из алюминия толщиной более 0,05 мм.

Раздел 2. Конструкторско-технологический

2.1 Патентный поиск и разработка ТЗ на конструкцию модулятора

2.1.1 Патентный поиск

Патентный поиск является очень сложной научно-исследовательской работой. Требует использования информации, полученной в доверительном источнике. При проведении патентного поиска глубиной 5 лет была найдена следующая разработка, близкая к осуществляемым функциям к разрабатываемому устройству:

Номер документа: 2 166 231.

Дата публикации: 2001.04.27.

Регистрационный номер заявки: 99 101 678/09.

Основной индекс МПК: Н04В/10.

Название: модулятор временных интервалов для передатчиков широкополосных фазоманипулятивных сигналов*

Имя заявителя: Государственное унитарное предприятие Воронежский научно-исследовательский институт связи.

Имя изобретателя: Чугуева В. И.

Основные технические характеристики:

Формирование случайной последовательности с бесконечным циклом.

Диапазон рабочих частот: от 1КГц до 3ГГц.

Перестройка частоты: 0.05мкс.

Потребляемая мощность: 5 Вт.

2.1.2 Разработка ТЗ на конструкцию модулятора

Техническое задание разрабатывается на основе исходных данных, анализа достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники, изучения патентной информации.

Согласно ГОСТ 20 504–81 в ТЗ устанавливается основное назначение и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемому изделию, а так же специальные требования. Приведены требования к конструкции узла.

2.1.2.1 Требования к конструкции по назначению

Модулятор предназначен:

А) формирование периодической последовательности импульсов;

В) формирование случайной последовательности импульсов.

Класс установки устройства — наземный передвижной.

Требования по живучести к внешним воздействиям:

· Устройство должно быть устойчиво к воздействию температуры окружающей среды от +5с относительной влажностью 75% ри температуре +30 (группа В1 по ГОСТ 12 997–84);

· Устройство должно сохранять работоспособность при нормальном атмосферном давлении (группа Р1 по ГОСТ 12 997–84).

2.1.2.2 Требования по надежности

Время непрерывной работы устройства составляет 10 часов.

Время установления рабочего режима не более 10 мин.

Устройство относится к восстанавливаемому типу изделий.

Отказом устройства считается несоответствие устройства требованиям ТЗ.

Контроль и ремонт производится в заводских условиях.

2.1.2.3 Требования к конструкции узла

Разработка принципиальной электрической схемы, а так же выбор элементной базы подробно приведена в «Расчетно-теоретическом» разделе.

Для реализации функциональных узлов выбрана серия КР1554. В данной серии имеются D-триггеры, большая длительность фронта компенсируется максимальной крутизной.

Тактируемый регистр сдвига

Дискретная линия задержки представляет собой — набор последовательно соединенных D-триггеров, при этом шаг дискретизации и ошибки определяются свойствами кварцевого генератора. КР1554ТМ9.

Шесть D-триггеров с общим входом установки. Аналог — 74АС174 фирмы National, USA.

Сумматор по модулю 2

КР1554ЛП5. Четыре элемента — «Исключение ИЛИ» .

Аналог — 74АС86 фирмы National, USA.

Четыре логических элемента 2И-НЕ

Микросхема КР1554ЛАЗ состоит из четырех независимых логических вентилей в одном корпусе, выполняющих функцию 2И-НЕ. Аналог — 74АСОО фирмы National, USA.

Ограничитель напряжения

микросхема 78L05/ выход, вход общий

Uпот = +5V1 = 0,1A

Pпот = 120мВт Корпус: ТО92.

Операционный усилитель

микросхема К554УД2.

Uпот = +/-8V

I = 0,15A

Pпот = 120мВт

Корпус: ТО99.

Кварцевый генератор ГК44-П

1. Основные параметры:

1. напряжение питания 5В+/-10%;

2. потребляемый ток <5…10мА;

3. выходной сигнал КМОП.

2. Внешний вид, габаритные размеры (мм) и подключение выводов:

Назначение выводов:

1. не используется;

2. общий (корпус);

3. выход сигнала рабочей частоты;

4. напряжение питания, Uпит.

ДПКД с ФАНЧ

Быстродействующая микросхема КФ1015ПЛЗ.

Микросхема выпускается в пластмассовом 16-ти миниатюрном выводном корпусе.

Масса прибора — не более 0,3 г.

2.2.1 Разработка конструкции печатного узла

2.2.1.1 Выбор и обоснование типа и технологии печатной платы, класса точности, габаритных размеров, материала, толщины и шага координатной сетки