Разработка системы передачи данных и управляющих сигналов между подводным аппаратом и судном-носителем

• Введение
• 1. Технико-экономическое обоснование темы
• 2. Составление технических условий и их обоснование
• 3. Теоретическая часть. Обзор возможных методов кодирования информации и построения системы ее передачи
• 3.1 Основные принципы кодово-импульсной модуляции
• Временная дискретизация сигналов
• Амплитудное квантование
• Кодирование
• 3.2 Возможные методы построения приемного устройства
• Приёмник прямого усиления
• Супергетеродинный приёмник
• 4. Составление и расчет структурной схемы
• 4.1 Передатчик
• 4.2 Приемник
• 4.3 Формирователь сигналов управления
• 5. Составление и расчет принципиальной электрической схемы
• 5.1 Энергетический расчет усилителя мощности передатчика на биполярном сдвоенном составном транзисторе
• 5.2 Расчет импульсного детектора
• 5.3 Расчет эмиттерного повторителя
• 6. Конструкторско-технологическая часть
• 6.1 Конструкторская часть
• 6.2 Расчет надежности
• 6.3 Технология изготовления печатной платы
• 7. Экспериментальная часть
• 8. Экономическая часть
• 9. Безопасность и экологичность проекта
• 10. Экологичность проекта
• Заключение
• Список литературы

В настоящее время существует необходимость создания и внедрения специальных автоматических средств поиска и разведки полезных ископаемых для промышленного освоения природных ресурсов на континентальном шельфе и в Мировом океане.

Развитие технических средств освоения океана в последние годы сопровождается ростом производства подводных аппаратов, резко повышающих результативность исследовательских и поисковых работ и их производительность. Увеличивающийся из года в год объем работ, связанных с применением глубоководных аппаратов, позволяет считать, что это направление исследований океана перерастает в отдельную отрасль, тесно связанную с другими отраслями промышленности.

Одним из распространенных гидроакустических приборов является гидролокатор, позволяющий вести поиск практически любых подводных объектов, независимо от их природы и размеров, производить картографирование дна.

Информация от гидролокатора обзора, размещенного на буксируемом подводном аппарате, передается для обработки на борт судна-носителя. В свою очередь, с судна-носителя управляющие сигналы по тому же кабель-тросу поступают на подводный аппарат. Для организации такой линии связи используется система передачи данных и управляющих сигналов, включающая в себя передающую и приемную части, расположенные в подводном аппарате, коаксиального кабель-троса длинной 10 км и приемо-передающей аппаратуры, расположенной на судне-носителе.

Дипломный проект посвящен разработке такой системы передачи, поэтому его тема является актуальной.

1. Технико-экономическое обоснование темы

Гидроакустические средства наблюдения позволяют вести поиск практически любых подводных объектов, независимо от природы и размеров, находящихся в толще воды или на дне, в пределах любых океанических глубин. С их помощью можно обнаружить и затонувшее судно, и скопление планктона, китов и креветок, подводные скалы и проложенный по дну кабель. Обнаруженные объекты можно классифицировать, то есть определять их природу и принадлежность, и осуществлять за ними длительное слежение.

Гидролокаторы бокового обзора (ГЛБО), предназначенные для осуществления различных подводных операций — поиска подводных препятствий на фарватерах, определения трасс подводных кораблей, трубопроводов и т. п. — отличаются высокой разрешающей способностью.

Системы, выполняющие эти основные подводные работы, в настоящее время главным образом используются в районах континентального шельфа, т. е. в районах с маленькими глубинами. Поэтому, наряду с этими системами в решении задач комплексного исследования Мирового океана большой интерес представляет ГЛБО, работающий на больших глубинах, в частности до 10 км.

В данном дипломном проекте рассматривается часть такой системы, а именно система передачи информации с подводного аппарата на борт и передачи команд управления с судна на подводный аппарат.

Такая система имеет несколько каналов передачи, что позволяет вести более оперативно обработку данных и управлять подводным аппаратом. Разрабатываемый в дипломном проекте канал с КИМ несет информацию о медленно меняющихся параметрах (например, о курсе, крене и деференте) подводного аппарата на судно-носитель и передает команды управления с судна на подводный аппарат, т. е. данная линия связи является двусторонней.

приемное устройство модуляция сигнал Известный зарубежный образец ФГБО («Торо — 555») имеет полосу обзора 80 м на один борт и разрешающую способность по углу 0,6°. За счет применения многобазового измерения в разрабатываемом ФГБО полоса обзора будет увеличена до 150 м на один борт, а разрешающая способность по углу до 0,3°. Увеличение разрешающей способности по углу позволит повысить точность геологических данных о полезных ископаемых. Расширение полосы обзора до 150 м увеличивает производительность данного аппарата, а это позволит получить экономию за счет сокращения времени эксплуатации судна-носителя. Сравнительные характеристики приведены в таблице 1.1.

Таким образом, является обоснованной разработка всех узлов ФГБО, и тема дипломного проекта, посвященная разработке неотъемлемой части гидролокатора — системе передачи данных и команд управления, также является экономически обоснованной.

Таблица 1.1

2. Составление технических условий и их обоснование

Медленно меняющаяся аналоговая информация с различных датчиков, установленных на подводном аппарате, передается на судно в виде сигнала с импульсно-кодовой модуляцией.

По техническому заданию:

скорость передачи W_Т = 1 кБод, сопротивление кабель-троса R_ф = 50 Ом, полоса частот соседнего канала 400 ч 500 кГц, амплитуда несущей соседнего канала 10 В.

Рассчитаем основные параметры разрабатываемой системы передачи.

Длительность элементарного импульса

.

Частота манипуляции

.

Полоса пропускания

Полосу пропускания тракта будем определять исходя из необходимости качественной передачи фронтов ф_ф элементарных посылок, так как КИМ — сигнал используется, как указывалось выше, и для синхронизации других сигналов. Поэтому полоса пропускания всего тракта (передача — прием) при ф_ф = 10 мкс:

.

Выбор рабочей частоты

При выборе рабочей частоты будем исходить из нескольких факторов: затухания в кабеле, полосы пропускания, скорости и объем информации, а так же частотной полосы помех.

Исходя из этих соображений выбираем рабочую частоту _р = 1250 кГц.

Затухание в кабеле

Затухание в кабеле составляет 7 дБ/км, а так как длина кабеля составляет 10 км, то общее затухание всего кабеля В = 70дБ.

Тогда затухание по мощности

В_Р = 10⁷ раз

и по напряжению

В_U = 10⁴ раз.

Выходная мощность передатчика.

Расчет внутренних флюктуационных шумов в линии связи определит необходимую мощность передатчика. Рассчитаем эту мощность без учета помех.

Необходимая мощность на выходе передатчика:

где P_пр — мощность сигнала на входе приемника в режиме согласования.

где R_ф = 50 Ом,

В_каб = 70дБ — затухание в кабеле,

Е_СА — чувствительность приемника.

Чувствительность приемника рассчитывается по следующей формуле:

где Т = 300°К — абсолютная температура, градусы Кельвина,

k = 1,38?10^-38 Дж/град — постоянная Больцмана,

Д= 200 кГц.

.

Так как на выходе приемника будет использоваться несогласованный фильтр, то Е_СА увеличивается примерно на 50%, то есть следует взять Е_СА = 6,15?10^-7 В.

Исходя из этого, мощность на входе приемника будет следующему значению:

Теперь расчет необходимой мощности с учетом помехи от передатчика низкочастотного канала, работающего непосредственно на вход нашего приемника. Пусть уровень напряжения сигнала нашего передатчика на f = 1,25 МГц равен U_пер = 10 В.

Коэффициент трансформации от выхода передатчика к кабелю-тросу К_тр = 1. Мощность передатчика на = 1,25 МГц

где с = 50 Ом.

Рассчитаем входную мощность приемника:

При этом уровень сигнала на входе приемника:

.

Пусть основной сигнал в 10 раз больше, чем помеха, тогда уровень помех на входе приемника U_{п. пр} должен быть не более:

.

Отсюда необходимое подавление помех с уровнем U_п = 10 В и частотами 400ч550 кГц, осуществляемое приемником, составит

.

Такое подавление может быть осуществлено при небольшом числе звеньев фильтра приемника. Поэтому остановимся на выбранном раньше уровне сигнала передатчика U_пер = 10 В.

3. Теоретическая часть. Обзор возможных методов кодирования информации и построения системы ее передачи

3.1 Основные принципы кодово-импульсной модуляции

Разрабатываемая линия связи, предназначена для передачи одновременно нескольких медленно меняющихся аналоговых сигналов с подводного аппарата на борт судна и обратно. При этом используется один из наиболее помехоустойчивых видов модуляций — кодово-импульсная модуляция (КИМ), совместимая с временным уплотнением. Рассмотрим основные вопросы, связанные с применением КИМ.

Аналоговые сигналы на входе цифровой системы передачи принимают любые значения в пределах заданного амплитудного диапазона. Используя n — разрядные кодовые группы можно передать информация не более чем о rⁿ различных значениях сигнала. Поэтому при цифровой передаче необходимо амплитудное квантование передаваемого сигнала. Таким образом, при импульсно-кодовой модуляции осуществляются три вида преобразований:

— дискретизации во времени исходного сигнала;

— квантование амплитуд дискретных отсчетов сигнала;

— кодирование, т. е. формирование кодовых групп, соответствующих квантованным значениям дискретным отсчетов сигнала.

В реальных системах КИМ квантование и кодирование, как правило, осуществляются одновременно. Возможно совмещение операций дискретизации во времени и квантования сигнала. Известны системы КИМ, в которых временная дискретизация проводится после квантования и кодирования.

Временная дискретизация сигналов

Спектр импульсно-модулированного сигнала, в общем случае, содержит гармоники частоты дискретизации, каждая из которых окружена верхней и нижней боковыми полосами. Спектральные плотности боковых полос пропорциональны значениям спектральной плотности модулируемого импульса на частотах этих полос, и распределение спектральной плотности в пределах боковых полос отличается от подобного распределения в исходном сигнале.

Значение отсчета должно быть постоянным в процессе кодирования. В противном случае возникают ошибки при формировании кодовой группы.

Исходный сигнал может быть выделен из последовательности S_Д (t), если боковые полосы не накладываются друг на друга. Для этого необходимо выполнение условия

где _В — верхняя частота передаваемого сигнала.

Это условие соответствует известной теореме В. А. Котельникова, согласно которой сигнал S (t) может быть восстановлен без искажений из последовательности дискретных отсчетов этого сигнала, если частота дискретизации _Д, по крайней мере, в два раза выше наибольшей частоты, содержащейся в спектре исходного сигнала.

Спектры аналоговых сигналов, обычно, не имеют четко выраженной верхней граничной частоты. Поэтому в многоканальных системах производится ограничение спектра передаваемых сигналов. Увеличение частоты дискретизации позволяет упростить фильтры, ограничивающие спектры аналогового сигнала в передающем оборудовании, а также фильтры, выделяющие спектр исходного сигнала при демодуляции на приемной стороне.

Амплитудное квантование

При амплитудном квантовании, непрерывный диапазон значений передаваемого сигнала заменяется конечным множеством, разрешенных для передачи значений — уровней квантования. Динамический диапазон передаваемого сигнала разбивается на ряд отдельных участков — шагов квантования. Обозначим величину i-го шага квантования через _i. Если величина входного сигнала U_ВХ удовлетворяет условию

то сигналу присваивается значение i-го уровня квантования U_i.

При этом возникает ошибка квантования Д_КВ — разность между передаваемой квантованной величиной U_КВ и истинным значением сигнала U_ВХ, которая приводит к появлению шумов квантования.

Ошибка квантования представляет собой функцию с большим числом резких скачков, частота следования которых существенно выше частоты исходного сигнала. При квантовании сигнала, прошедшего временную дискретизацию, соседние боковые полосы вследствие расширения спектра будут накладываться друг на друга. В результате в полосу приемного фильтра, выделяющего спектр исходного сигнала (при ширине спектра, равной 0,5_Д), будут попадать составляющие всего расширенного спектра квантованного аналогового сигнала.

Следовательно, при оценке искажений исходного сигнала следует определять полную мощность шумов квантования.

При квантовании гармонического сигнала энергетический спектр шумов квантования является дискретным. При квантовании реальных сигналов, занимающих определенную полосу частот, энергетический спектр шумов квантования в полосе сигнала принимается равномерным.

Амплитудная характеристика системы передачи, в которой осуществляется квантование сигнала, представляет ступенчатую кривую. Такая характеристика может быть представлена в виде суммы характеристики идеальной системы передачи (пунктирная прямая на рис. 3.1а) и характеристики, определяющей искажения сигнала (рис. 3.1б). Характеристика, определяющая искажения сигнала, имеет два участка — зону квантования при — U_огр U_ВХ U_огр и зону зону ограничения при |U_ВХ| > U_огр. Соответственно различают шумы квантования и шумы ограничения.

Рис. 3.1

Мощность шумов ограничения определяется выражением:

где p (U_ВХ) — плотность распределения мгновенных значений входного сигнала. Величина шумов ограничения при заданном U_огр зависит от выбора уровня передачи и всегда может быть сделана достаточно малой. Поэтому основным параметром системы с квантованием сигнала является мощность шумов квантования.

Мощность шумов квантования определяется выражением

которое приводится к виду

где p_i — вероятность попадания сигнала в зону i — го шага квантования.

При равномерном квантовании, когда все шаги квантования равны по величине,

.

При равномерном квантовании ошибка квантовании ограничена величинами, и в этих пределах плотность распределения значений ошибки постоянна.

Шумы квантования действуют одновременно с передачей сигнала. Поэтому влияние этих шумов удобно оценивать по отношению квантования.

В таблице 3.1 приведены максимальные значения квантования, которые могут быть получены при равномерном квантовании.

Таблица 3.1

Видно, что для высокоточной системы передачи данных необходимо иметь не менее 9 ч 10 разрядов в квантователе по уровню.

Кодирование

При импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) информация о величине уровня квантования передается в виде групп кодовых импульсов.

Особенности построения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в оконечной аппаратуре системы связи с ИКМ, а так же условия передачи цифровых сигналов по линейным трактам предъявляют специфические требования к видам кодов. Поэтому различные части систем ИКМ используют различные виды кодов. В оконечной аппаратуре наибольшее распространение получили двоичные равномерные коды. В этих кодах каждая кодовая группа состоит из постоянного числа n кодовых символов. Каждый символ может принимать значение 0 или 1 (импульс или пробел).

В натуральном двоичном коде импульсные кодовые группы соответствуют записи номера передаваемого уровня квантования в двоичной системе исчисления, то есть структура кодовой группы определяется выражением

где a_i — кодовый символ i-го разряда (а_i = 0;

1).

При передачи двуполярных аналоговых сигналов типа речевых, групповых телефонных сигналов, у которых плотность вероятности мгновенных значений максимальна в области малых величин, преобразование в центре амплитудного диапазона должно осуществляться с наибольшей точностью. Поэтому при кодировании таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ первого разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы других разрядов соответствуют величине отсчета.

При кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода. При этом снижаются ошибки преобразования в центральной зоне амплитудной характеристики системы передачи, так как соотношения между «весами» младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, чем соотношения между «весами» всей кодовой группы.

Восстановление отсчета по кодовой группе, то есть цифро-аналоговое преобразование сигнала в приемном оборудовании систем ИКМ, осуществляется, как правило, с использованием позиционных кодов — натурального двоичного и симметричного двоичного. В этом случае при цифро-аналоговом преобразовании происходит суммирование импульсов, входящих в состав кодовой группы, с соответствующими «весами». Это позволяет использовать обычные ЦАП и АЦП, выпускаемые промышленностью в виде микросхем.

3.2 Возможные методы построения приемного устройства

Приёмник прямого усиления

Приемник прямого усиления состоит из следующих основных элементов: входной цепи, усилителя радиочастоты (УРЧ), детектора и усилителя низких частот.

Входная цепь чаще всего включает одиночный колебательный контур, перестраиваемый в пределах заданного диапазона частот. Она выполняет предварительную частотную избирательность с ослаблением сильных помех, согласование входного устройства с входом усилителя с целью передачи максимальной мощности сигнала из антенны на вход усилителя радиочастоты, ослабление перекрестной модуляции.

При отсутствии входной цепи сигнал вместе с помехой от другой радиостанции (или другого канала приема) будет поступать непосредственно на вход УРЧ. А так как УРЧ является нелинейным элементом, то в результате взаимодействия сигнала и помехи возможен эффект перекрестной модуляции. Этот эффект проявляется в том, что модуляция помехи «переходит» на колебание принимаемого сигнала и передача мешающего канала будет слышна при настройке приемника на частоту принимаемого сигнала.

Усилитель радиочастоты обеспечивает усиление принятого сигнала и окончательную частотную избирательность. Он представляет собой усилительный каскад, в выходной цепи которого в качестве нагрузки включен колебательный контур, обладающий избирательными свойствами. Поскольку входной сигнал составляет единицы микровольт, а для нормальной работы детектора требуются единицы вольт, УРЧ должен обеспечивать большое усиление — порядка 10⁶. Для получения такого большого коэффициента усиления и хорошей избирательности требуется несколько усилительных каскадов и перестраиваемых контуров.

Детектор преобразует принятые радиочастотные колебания в низкочастотные.

В приемнике прямого усиления основное усиление сигнала и избирательность осуществляется в высокочастотном тракте непосредственно на частоте принятого сигнала. Поэтому он и называется приемником прямого усиления.

Несомненным достоинством приемника прямого усиления является относительная простота его построения и отсутствие дополнительных каналов приема. Но приемники прямого усиления обладают и существенными недостатками: плохой избирательностью, малой чувствительностью, непостоянными коэффициентом усиления и полосой пропускания в пределах рабочего диапазона.

Избирательность зависит от частоты принимаемых сигналов. В приемниках прямого усиления достаточная избирательность обеспечивается только в диапазоне километровых и гектометровых волн. На более высоких частотах избирательность оказывается недостаточной, так как с повышением частоты сигнала полоса П=fo/Q расширяется и избирательность, следовательно, ухудшается.

Малая чувствительность является следствием невозможности получения большого усиления на радиочастоте, а одновременная настройка нескольких контуров конструктивно усложняет приемник. Непостоянство коэффициента усиления в пределах диапазона происходит потому, что при перестройке изменяется резонансное сопротивление контура Rэк, а следовательно, и коэффициент усиления каскада.

Повысить избирательность и чувствительность диапазонного приемника прямого усиления можно, увеличив число каскадов усиления и контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала.

Супергетеродинный приёмник

В настоящее время супергетеродинный приемник является наиболее совершенным и распространенным. Он отличается от приемника прямого усиления наличием двух дополнительных элементов — преобразователя частоты и усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2

Входная цепь и УРЧ выполняют те же функции, что и в приемнике прямого усиления. Совокупность входной цепи и УРЧ в супергетеродинном приемнике называют преселектором, так как эти элементы осуществляют предварительную избирательность.

После усилителя радиочастоты принятый сигнал подается на вход преобразователя частоты, который состоит из смесителя и гетеродина. Маломощный автогенератор — гетеродин создает непрерывные синусоидальные колебания радиочастоты ѓ_Г, которая немного отличается от несущей частоты принимаемого сигнала ѓ_С. Колебания гетеродина и сигнала с УРЧ поступают на смеситель, в котором имеется нелинейный элемент (диод или транзистор). В смесителе в результате взаимодействия двух напряжений, имеющих разные частоты ѓ_С и ѓ_Г, на нелинейном элементе образуется много комбинационных составляющих этих частот, в том числе и составляющая, частота которой равна разности частот гетеродина и сигнала ѓ_ПЧ=ѓ_Г-ѓ_С — промежуточной частоте. Резонансная система в выходной цепи смесителя, настроенная на эту частоту, выделяет напряжение сигнала промежуточной частоты.

В диапазонных приемниках промежуточная частота должна оставаться постоянной независимо от перестройки приемника, что достигается одновременной перестройкой контуров входной цепи и гетеродина с помощью одной ручки настройки.

Таким образом, назначение преобразователя частоты состоит в том, чтобы преобразовать высокую радиочастоту принимаемого сигнала в более низкую (промежуточную), сохраняя закон модуляции и обеспечивая ее постоянство при перестройке приемника.

С выхода преобразователя напряжение промежуточной частоты подается на вход УПЧ. В УПЧ контуры настраиваются на постоянную (промежуточную) частоту и в процессе работы приемника не перестраиваются.

Постоянство промежуточной частоты, а также то, что она значительно ниже радиочастоты принимаемого сигнала, обеспечивает ряд важных преимуществ супергетеродинного приемника:

независимость параметров УПЧ от настройки приемника (постоянство коэффициента усиления и неизменность АЧХ);

высокую избирательность, так как резонансная характеристика системы неперестраиваемых контуров может быть близка к идеальной (прямоугольной);

высокую устойчивость работы, так как паразитные обратные связи, вызывающие самовозбуждение, на более низкой промежуточной частоте значительно слабее, а это дает возможность увеличивать коэффициент усиления, не снижая устойчивости;

упрощение конструкции резонансных цепей УПЧ, так как их не нужно перестраивать;

высокую чувствительность, так как на более низкой и постоянной промежуточной частоте можно получить более высокое устойчивое усиление.

Таким образом, в супергетеродинном приемнике усиление осуществляется на трех частотах: радиочастоте, промежуточной и частоте модуляции, причем основное — на промежуточной.

Наряду с достоинствами супергетеродинный прием имеет и некоторые недостатки. Наиболее существенный из них — наличие побочных (паразитных) каналов приема. Они создаются в супергетеродинном приемнике в процессе преобразования частоты. Наиболее опасный канал — зеркальный или симметричный, частота которого как и частота основного канала, расположена симметрично относительно частоты гетеродина (рис. 3.3).

Рис. 3.3

Второй побочный канал приема — канал промежуточной частоты. Помеха на частоте, равной промежуточной частоте приемника, проходит прямо через смеситель и выделяется в фильтре его выходной цепи, так как он настроен на промежуточную частоту. Такая помеха называется помехой прямого прохождения.

Мешающее действие зеркальной помехи и помехи прямого прохождения ослабляется преселектором. Таким образом, в супергетеродинном приемнике избирательность по зеркальному каналу осуществляют входная цепь и УРЧ, а по соседнему каналу — УПЧ.

Детектор и УЗЧ в супергетеродинном приемнике выполняют те же функции, что и в приемнике прямого усиления.

Для повышения избирательности по соседнему и зеркальному каналам кроме обычных супергетеродинных приемников с одним преобразованием частоты применяют приемники с двойным, а иногда и с тройным преобразованием. В ряде случаев промежуточную частоту выбирают выше максимальной частоты диапазона. Такой приемник называется инфрадином.

Исходя из всего вышесказанного и с учетом условий технического задания, в разрабатываемой системе передачи данных и команд управления с целью упрощения приёмник выполним по схеме прямого усиления.

4. Составление и расчет структурной схемы

Как указывалось выше, разрабатываемая система передачи данных и управляющих сигналов предназначена для двустороннего обмена информацией по кабель-тросу между буксируемым аппаратом и судном-носителем. Ее задачей является приемо-передача медленно меняющихся данных и команд с помощью кодово-импульсной модуляции на несущей частоте 1250 кГц. Мешающим сигналом является канал связи с частотно-манипулированным сигналом, занимающий полосу частот 400 ч 550 кГц.

Режим работы — симплексный. Система работает без участия оператора, и, поскольку объем информации, передаваемый по разрабатываемой линии связи небольшой, то для упрощения аппаратуры будем исходить из того, что переключение прием-передача осуществляется автоматически специальным устройством. Целесообразно строить приемопередатчики, расположенные на подводном аппарате и на судне-носителе по одинаковой схеме. Таким образом каждый из приемопередатчиков состоит из приемника, передатчика и формирователя сигналов управления приемопередатчиком.

4.1 Передатчик

Структурная схема передатчика состоит из трех основных узлов: формирователя сигналов управления, усилителя мощности и выходного фильтра. Расчет структурной схемы передатчика начнем со стороны кабель-троса.

Пусть КПД выходной цепи равен 0,7. С учетом данного КПД определяем мощность Р на входе выходного фильтра:

Коэффициент запаса, который учитывает возможные отклонения из-за разброса параметров схемы, не учитывается, так как КПД выходного фильтра взят небольшой. Исходя из Р = 1,42 Вт и ѓ_р = 1250 кГц рассчитываем усилитель мощности. Так как частота и мощность невысокие, построим этот усилитель по однокаскадной схеме на составном транзисторе (СТ). В качестве одиночных транзисторов для структуры СТ предварительно выберем: в качестве выходного транзистора — КТ961А, а входного — КТ315Б. Поскольку оба выбранных транзистора высокочастотные, а мощность небольшая, можно ожидать коэффициент усиления по мощности около К_р = 1000.

При этом входная мощность ориентировочно составит:

Такой уровень требуемой входной мощности можно получить при использовании в качестве возбудителя микросхем ТТЛ-логики.

Требования к выходному фильтру будут сформулированы в разделе 4.2.

4.2 Приемник

Структурная схема приемника, как было обоснованно выбрано в разделе 3.2, с целью упрощения строится по методу прямого усиления. Такая схема включает входной Т-фильтр, ключ «прием-передача», эмиттерный повторитель, полосовой фильтр, усилитель, импульсный детектор и видеоусилитель. Входной фильтр — это полосовой фильтр с полосой пропускания 200кГц. Главные требования, которые предъявляются к фильтру — достаточное подавление помехи соседнего канала (ѓ_ср=475кГц), равномерность в полосе пропускания и высокое входное сопротивление (Z_вх >> с_к = 50 Ом) на частоте ѓ_ср=475кГц, чтобы не шунтировать выход передатчика соседнего канала.

Пусть КПД входного фильтра = 0,8. Найдем необходимый общий коэффициент усиления приемника. Из обоснования технических условий имеем U_{пр. вх.} = 3,1?10^-3. На выходе приемника необходимо получить сигнал, ограниченный по уровню ТТЛ — 5 В. Тогда коэффициент усиления без учета потерь во входном фильтре:

Коэффициент усиления с учетом КПД фильтра:

Следовательно, последующими каскадами мы должны обеспечить усиление по напряжению не менее 1800. Найдем коэффициенты усиления каждого каскада, считая что эмиттерный повторитель имеет K_уЭП 1, полосовой фильтр K_ф 0,7, импульсный детектор K_д 0,5.

Основной усилитель предназначен для обеспечения нормальной работы импульсного детектора. Сигнал на выходе детектора должен составлять не менее 0,7 В. Применим для этого микросхему К174ХА2, дающую на выходе сигнал U_{вх. дет.} = 0,75 В и имеющую чувствительность менее 1мВ. Коэффициент усиления микросхемы с учетом К_уЭП 1, K_ф 0,7:

Учитывая, что К_д = 0,5, сигнал на входе видеоусилителя составит U_{вх. ву.} 0,37 В, а его коэффициент усиления

Определим необходимую избирательность приемника по соседнему каналу.

Уровень помехи U_п = 10 В по техническому заданию. Пусть на выходе приемника сигнал превышает помеху в 10 раз. Таким образом уровень подавления помехи с частотой ѓ_ср=475кГц:

что составляет 90,2 дБ.

В данном случае, если бы избирательность обеспечивал только один входной фильтр, он был бы слишком сложным и имел бы низкий КПД, что снизило бы и КПД передатчика, работающего через этот же фильтр в режиме передачи. Поэтому входной фильтр делаем более простым, а для обеспечения необходимой избирательности добавляем в схему полосовой фильтр между эмиттерным повторителем и усилителем. В сумме они позволят обеспечить требуемую избирательность.

Структурная схема приемо-передатчика показана на рис. 4.1.

4.3 Формирователь сигналов управления

Формирователь сигналов управления служит для управления приемо-передатчиком, опроса датчиков через шину данных, выдачи команд готовности и синхронизации всего АМ — канала подводной линии связи.

Сигналы с шины данных, т. е. информация с датчиков о различных измеряемых параметрах, поступают в регистр-накопитель. Вся информация с регистра-накопителя поступает на транслятор, который управляется генератором сигналов управления. Генератор сигналов синхронизируется (F_т = 1кГц), а так же с него сигналы управления поступают напрямую на регистр-накопитель.

Генератор на 10МГц является кварцевым. Частота 10МГц поступает на генератор АИМ-сигнала. Работает генератор АИМ-сигнала работает следующим образом. При приходе сигнала с транслятора генератор начинает делить частоту 10МГц на 8 и на выход поступает частота равная 1,25МГц, т. е. наша рабочая частота, и эту частоту генератор выдает на выход цифровой части. Если сигнал с транслятора отсутствует, то генератор не производит деление на 8 и на выход поступает частота кварцевого генератора 10 МГц. Структурная схема представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.1.

Рис. 4.2.

5. Составление и расчет принципиальной электрической схемы

5.1 Энергетический расчет усилителя мощности передатчика на биполярном сдвоенном составном транзисторе

Методика энергетического расчета генератора с внешним возбуждением (усилителя мощности) на составном транзисторе (СТ) при возбуждении его напряжением в форме меандра пока не разработана. Поэтому проведем ориентировочный расчет по первой гармонике напряжения возбуждения, используя методику расчета при синусоидальном напряжении возбуждения, изложенную в.

При возбуждении меандром токи транзистора так же будут иметь форму меандра. Коэффициенты разложения токов коллектора в этом случае составляют:

При синусоидальном возбуждении такие коэффициенты имели бы место при угле отсечки тока коллектора _к 135°. Поэтому при использовании указанной методики будем считать, что генератор работает с углом отсечки _к 135°.

Выбираем высокочастотные транзисторы: входной — КТ315Б, выходной — КТ961А. Поскольку рабочая частота f = 1250кГц не велика, СТ можно считать безинерционным.

Исходные данные:

f_р = 1250кГц.

Напряжение питании Е_К = +15 В.

Выходная мощность Р_треб 1,4Вт.

Входной транзистор КТ315Б.

Его параметры:

Выходной транзистор КТ961А.

Его параметры:

Расчет по первой гармонике, ₁ 135° и cos ₁ = - 0,7.

Расчет обобщенных генераторных параметров СТ:

1.

2. .

3. .

4.

Энергетический расчет выходной цепи каскада:

1. .

2. .

3. .

4. .

5. .

6. .

7. .

.

8. .

9. .

10. .

11. .

12. .

13. .

14. .

15. .

16. .

17. .

18. .

19. .

20. .

21. .

22. .

23. .

24. .

Энергетический расчет входной цепи каскада.

1. .

2. .

3. .

4. .

5. .

6. .

7.

8. .

9. .

10. .

11. .

12. .

13. .

14. .

5.2 Расчет импульсного детектора

Для детектирования радиоимпульсов, т. е. для преобразования их в видеоимпульсы, обычно используются последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме, приведенной на рис. 5.1.

Исходные данные для расчета на диоде типа Д311Б:

Емкость конденсатора нагрузки найдем из выражения:

Имеем

где — длительность среза видеоимпульсов.

После этого проверяем соотношение

при невыполнении которого заметно падает К_Д.

.

Как видно, это соотношение выполняется.

Из графика при найдем коэффициент передачи K_Д, он равен К_Д = 0,9.

Теперь рассчитаем длительность фронта видеоимпульсов по формуле:

где и резонансное сопротивление и емкость последнего контура УПЧ с учетом в установившемся режиме.

Рассчитаем добротность контура

.

.

выразим

.

Подставляя в формулу найденные выше значения и, найдем

.

.

.

Рис. 5.1.

Из формулы выразим — емкость контура, и найдем ее.

.

Подставим все найденные выше значения в формулу для расчета длительности фронта видеоимпульсов и найдем ее

т.к.

возьмем .

Получаем, что .

Сократим на и получим окончательное выражение для

.

5.3 Расчет эмиттерного повторителя

Этот каскад имеет малую входную динамическую емкость, высокое входное и низкое выходное сопротивление, хорошую форму частотной и фазовой характеристик. Такие особенности каскада обусловлены наличием в нем глубокой отрицательной обратной связи по напряжению.

Определим основные показатели эммитерного повторителя на транзисторе КТ312Б. Для расчетов возьмем следующие данные:

Выходное напряжение находится по формуле:

где .

.

Ток эмиттера равен ,

где — крутизна характеристики эмиттерного тока.

Подставляя выражение для тока в формулу, получим

.

Крутизну находим из уравнения

.

Подставим в это выражение значения:

и. Тогда

.

.

Теперь рассчитаем :

.

Так как ток эмиттера, а следовательно, и напряжение совпадают по фазе с напряжением, действующим между базой и эммитером транзистора, то величина входного напряжения:

.

Подставив в это выражение значение, получим

.

Коэффициент передачи напряжение эммитерного повторителя на средних частотах

.

Определим коэффициент усиления тока

.

При включении нагрузки, коэффициент усиления тока эммитерного повторителя уменьшается за счет того, что часть выходного тока ответвляется в резистор

и .

.

.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя можно определить следующим образом:

.

Эмиттерный повторитель показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2.

6. Конструкторско-технологическая часть

6.1 Конструкторская часть

Конструктивно приемо-передатчик выполнен в виде печатной платы, которая с помощью легко сочленяющегося контактного разъема типа ГРПМ1−31ШУ2 устанавливается внутри прибора. Плата выполнена односторонним печатным монтажом. Разъем крепится к плате двумя винтами с правосторонней резьбой М3. Во избежание расстыковки разъема плата сверху прижата алюминиевым кожухом и для уменьшения вибрации фиксируется по положению в пазах панели. Разъем служит для подачи питания, входных и выходных сигналов, а также контроля параметров схемы и электрического соединения с другими платами.

Установка элементов на плате осуществляется при помощи пайки. При необходимости плата экранируется алюминиевым экраном. По отношению к внешним механическим воздействиям такой вариант характеризуется повышенной виброи ударопрочностью. Это объясняется снижением массы за счет применения микросхем и жесткого крепления элементов, что так же способствует увеличению работоспособности устройства.

6.2 Расчет надежности

Надежностью называется способность изделия выполнять свои функции в течение требуемого промежутка времени в данных условиях эксплуатации. Надежность обусловлена безотказностью и долговечностью. Она зависит от большого количества внешних и внутренних воздействий, к числу которых относятся: режим работы, влияние температуры, влажности, давления и т. д.

Предположим, что:

— отказ любого элемента системы приводит к отказу всей системы;

— отказы элементов являются случайными и независимыми событиями;

— интенсивность отказов величина постоянная и независимая от времени.

Рассчитать надежность устройства значит определить его количественные характеристики надежности по характеристикам элементов, входящих в это устройство.

Одной из таких характеристик является вероятность безотказной работы или вероятность того, что при заданных условиях работы не произойдет отказов.

В общем случае любое устройство или систему можно представить как набор из m-типов элементов, причем число элементов i-го типа равно N_i. Тогда вероятность безотказной работы равна:

где — интенсивность отказа устройства, — интенсивность отказа i — элемента. Величина является одним из основных показателей надежности радиоустройства.

Наиболее сильное влияние на надежность элементов, равно как и всего устройства, оказывают температура и электрические нагрузки. Коэффициент электрической нагрузки

где — значение параметра Х в реальном режиме; - номинальное или допустимое значение параметра Х.

Зависимость интенсивности отказов от коэффициента электрической нагрузки и температуры выражается следующей экспериментальной формулой:

где — интенсивность отказов при и; - интенсивность отказов при и .

В настоящее время имеется достаточно большой объем информации об отказах типовых элементов радиоэлектронной аппаратуры по статическим данным эксплуатации и лабораторных испытаний. Существуют специальные таблицы, в которых приводятся усредненные среднестатистические значения интенсивности отказов элементов для лабораторных и нормативных стандартных условий.

Перечень всех элементов, а так же их интенсивность отказов приведены в таблице 6.1.

. Наработка на отказ: .

Таблица 6.1

Расчет надежности разрабатываемой системы произведен с использованием ПЭВМ. Листинги используемых для расчетов программ и результаты расчетов приведены далее.

Program nadegtoct;

var i, t, n: integer;

m, me, ae, ai, ni, t_otk, p: real;

begin

i: =1; m: =0;

writeln ('введите общее количество идентичных элементов в схеме и нажмите Enter');

read (n);

writeln ('введите значение эксплуатационного коэффициента и нажмите Enter');

read (ae);

repeat

writeln ('введите через пробел значение интенсивности отказа элемента');

writeln ('схемы и количество таких элементов в схеме и нажмите Enter');

writeln ('Примечание: интенсивности отказов вводятся без множителя 1Е-6');

read (ai, ni); {ввод интенсивности отказа и количества i-ого элемента}

m: =m+ai*ni*1E-6; {для удобства ввода исходных данных добавлен множитель 1Е-6}

i: =i+1

until i>n;

me: =ae*m;

t_otk: =1/me;

writeln ('Среднее время работы устройства до отказа', t_otk: 7: 1,' часов');

t: =0;

writeln ('———————————————————————-');

writeln ('Время работы I Вероятность безотказной работы');

writeln ('———————I————————————————');

while t< (20 000+1) do

begin

p: =exp (-me*t);

writeln (' ', t: 4,' I ', p: 7: 4);

t: =t+500;

end;

writeln ('———————————————————————-')

end.

end.

Program Grafic;

var dp, eps, t, tn, tk, th, pmin, pmax, p, t_otk, me: real;

k, r, l, i: integer;

{dp-период квантования, eps-погрешность построения, i-параметр цикла,

l-максимальное число точек на оси ординат, r-значение функции,

k-вспомогательная переменная}

begin

writeln ('Точность построения-'); read (eps);

writeln ('Ввод tn, tk, th'); read (tn, tk, th);

writeln ('Ввод t_otk — среднего времени работы до отказа');

read (t_otk); me: =1/t_otk;

{Число точек на оси ординат} l: =round (1/eps);

{Определение min/max значения функции}

t: =tn; pmin: =exp (-me*t); pmax: =exp (-me*t);

While t

begin

p: =exp (-me*t); if pmax

if pmin>p then pmin: =p;

t: =t+th

end;

{Определение периода квантования}

dp: = (pmax-pmin) /l;

writeln ('eps=', eps: 4: 2,' pmin=', pmin: 7: 4,' pmax=', pmax: 7: 4,' dp=', dp: 7: 4);

{Вывод вертикальной оси}

writeln (' ': 30,'Ось ординат');

writeln ('———————————————————————> y'); {Вывод графика и горизонтальной оси}

t: =tn; k: =round (-pmin/dp);

for i: =1 to round ((tk-tn) /th+1) do

begin

t: =tn+ (i-1) *th; p: =exp (-me*t);

r: =round ((p-pmin) /dp);

writeln ('|': k,'*': r);

end;

writeln ('V t')

end.

eps=0.02 pmin= 0.3695 pmax= 0.9734 dp= 0.0121

6.3 Технология изготовления печатной платы

С точки зрения технологии печатная плата как изделие представляет собой изоляционную подложку в виде пластины, на которой расположены и закреплены плоские участки токопроводящего покрытия в форме рисунка, определенного конструкторским чертежом.

Из этого технологического определения для изготовления печатной платы вытекает необходимость выполнения следующих процессов:

получение плоской изоляционной пластины (подложки);

получение пленочного токопроводящего покрытия;

закрепление токопроводящего покрытия на подложке;

создание рисунка токопроводящего покрытия, определенного чертежом.

Технология изготовления печатных плат, как и все в технике, развивалось от простого к сложному, усложнялось с повышением требований к параметрам печатных плат.

По мере развития производства полимерных материалов в технике изготовления печатных плат применялись следующие материалы:

Конструкционные пластмассы, подложки из которых изготовляли в специальных пресс-формах. В некоторых вариантах процесс изготовления подложки совмещали с процессом создания рисунка. В других вариантах этот процесс совмещали с процессом металлизации поверхности подложки путем использования металлических порошков.

Изоляционные листовые пластмассы, изготовление подложек из которых выполнялось средствами механической обработки. В качестве листовых изоляционных материалов на производстве широкое распространение получили гетинакс (материал на основе бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой) и текстолит (материал на основе хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой и спрессованной в форме листа).

В настоящее время номенклатура листовых изоляционных материалов для изготовления печатных плат значительно расширена за счет применения полимерных смол. Среди применяемых изоляционных материалов для изготовления подложек печатных плат наиболее широко используют стеклотекстолиты (материалы, основой которых является стеклоткань и полимерные смолы).

Процессы получения пленочного покрытия еще более разнообразны, чем процессы изготовления подложек.

Существует несколько способов изготовления печатных плат:

Способ вакуумной металлизации, заимствованный из технологии вакуумных приборов и пленочных сопротивлений, позволяет получить тонкие и равномерные покрытия с заданной проводимостью. Широкому распространению этого метода препятствует необходимость оснащения производства сложным вакуумным оборудованием, а также высокие требования к чистоте и качеству подложки.

Способ химической металлизации заключается в осаждении на предварительно обработанной изоляционной поверхности металлического покрытия путем химического восстановления металла из раствора его соли. Он заимствован из области гальванопластики и состоит из нескольких операций, включающих обработку поверхности в химических растворах для придания поверхности специальных свойств. В результате выполнения процесса химической металлизации на поверхности осаждается слой металла. В силу специфических свойств осаждения этот слой не может рассматриваться как сплошной: он имеет повышенное электрическое сопротивление.

Способ офсетной печати: он заимствован из полиграфической техники. Процесс заключается в переносе краски с формы, имеющей определенный рисунок, на поверхность подложки с помощью эластичной резины, натянутой на цилиндр. Этому процессу присущ ряд недостатков, преодолеть которые не удалось. Недостаточная толщина краски и ее свойства не позволяют обеспечить высокие защитные свойства покрытия. Дополнительные операции по обеспечению защитных свойств краски увеличивают трудоемкость и снижают разрешающую способность процесса.

Фотохимическая печать (в полиграфии этот процесс называется фотомеханическим). Процесс заключается в применении специальных светочувствительных материалов, наносимых на поверхность заготовки, которые при воздействии световой энергии образуют на поверхности слой с защитной способностью. Для получения рисунка светочувствительный слой экспонируется светом через шаблон, изготовленный фотографическим путем. Процесс создания защитного рисунка является промежуточным процессом, а для получения рисунка печатных проводников необходимо выполнение операций удаления незащищенных участков металлизированного слоя, или наоборот, осаждение металла на открытые поверхности.

Печать через трафарет получила распространение в технике печатных плат и для нанесения защитных рисунков, так как позволяет применять самые разнообразные краски и составы. За годы развития техники печатных плат для этого процесса создано высокопроизводительное оборудование, позволяющее выполнять процесс печати в автоматическом режиме и на больших площадях заготовок. Для изготовления сеточных трафаретов созданы специальные сетки из металлических и синтетических нитей и волокон, разработаны специальные материалы для трафаретов, созданы специальные конструкции рамок.

Ниже дано описание технологического процесса изготовления печатных плат методом фотопечати.

1. Подготовка поверхности фольгированного стеклотекстолита

1.1 Обезжирить поверхность заготовки салфеткой, смоченной в спирте.

1.2 Сушить на воздухе.

2. Нанесение жидкого фоторезиста методом окунания.

Покрытие осуществляется погружением в кювету, наполненную фоторезистом и вытягиванием с постоянной скоростью (10 50 см/мин).

3. Экспонирование.

3.1 Совместить заготовку платы с фотошаблоном и закрепить в копировальной рамке.

3.2 Включить вентилятор и лампу камеры экспонирования.

3.3 Поместить рамку с заготовкой в камеру экспонирования на 7 мин.

3.4 Выключить камеру экспонирования и извлечь заготовку из копировальной рамки.

4. Проявление.

4.1 Поместить заготовку в кювету с теплой (401 ⁰С) водой на 0.5 1 мин.

4.2 Извлечь заготовку из воды и произвести окрашивание рисунка раствором красителя для визуального контроля качества рисунка.

4.3 Опустить заготовку в кювету с холодной водой и смыть проявленные участки фоторезиста.

4.4 Промыть заготовку проточной водой.

5. Химическое дубление.

5.1 Поместить заготовку в раствор для химического дубления на 1.5 2 мин.

5.2 Промыть заготовку платы и тщательно просушить.

5.3 Поместить заготовку в сушильный шкаф и выдержать в течении 10 мин. Температура сушильного шкафа — в пределах 120 125 ⁰С.

6. Травление.

Каждый раз перед заливкой раствора хлорного железа в корпус модуля травления проверять его удельный вес. Соблюдать правила техники безопасности.

7. Промывка.

8. Удаление слоя фоторезиста.

Удалить фоторезист раствором едкого натра.

9. Промыть заготовку горячей водой и установить в кассету.

7. Экспериментальная часть

В задачи эксперимента входили следующие проверки:

— исследование параметров Т-образного фильтра, подключаемого к кабель-тросу и используемого в процессе работы линии связи поочередно в качестве либо входного фильтра приемника, либо выходного фильтра передатчика;

— проверка отсутствия паразитного самовозбуждения генератора с внешним возбуждением на составном транзисторе, подключенного своим выходом к Т-образному фильтру.

В ходе проведения экспериментальных работ был собран макет передающей части, разрабатываемой системы, включающий Т-образный фильтр и усилитель мощности на сдвоенном биполярном составном транзисторе.

Задачей первой части эксперимента являлось исследование полосы пропускания фильтра, величины подавления соседнего канала 475кГц и величины входного сопротивления фильтра со стороны кабель-троса на частоте соседнего канала. Это сопротивление должно существенно превышать сопротивление кабеля, для того чтобы фильтр не оказывал шунтирующего влияния на режим согласования выхода соседнего канала, подключенного к тому же кабель-тросу.