Разработка конструкции цифрового синтезатора частотно–модулированных сигналов

СОДЕРЖАНИЕ Введение.

1 Анализ технического задания

2 Анализ известных разработок по теме дипломного проекта

3 Разработка конструкции цифрового синтезатора ч.-м. сигналов

3.1 Разработка принципиальных схем синтезатора

3.2 Выбор и обоснование элементной базы

3.3 Разработка концептуального алгоритма устройства

3.4 Разработка, выбор и обоснование конструктивных составляющих синтезатора

3.5 Выбор и обоснование методов монтажа и межсоединений

3.5.1 Разработка печатной платы устройства с использованием САПР

3.6 Защита конструкции синтезатора от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов

3.7 Описание уточненного окончательного варианта компоновки и конструкции синтезатора

4 Разработка вопросов технологии изготовления синтезатора

4.1 Разработка технологической схемы сборки

5 Организационно — экономическая часть

6 Техника безопасности и охрана труда Заключение Список использованных источников

Характерной чертой современной радиотехники является использование сложных сигналов, то есть сигналов, у которых произведение длительности на ширину спектра значительно превышает единицу.

Например, в радиолокации применение зондирующих импульсов большой длительности позволяет получить большую энергию сигнала и, следовательно, большую дальность, при допустимой мощности излучения. В то же время применение частотной модуляции позволяет получить широкий спектр сигнала и, следовательно, малую длительность отраженного импульса после сжатия. В результате при большой дальности достигается высокая точность и разрешающая способность.

Целью данного проекта является разработка конструкции цифрового синтезатора частотно — модулированных сигналов, предназначенного для использования в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Цифровые синтезаторы частотно — модулированных сигналов должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в.- канала связи с высокой разрешающей способностью по времени групового запаздывания.

В составе л.ч.м. — ионозонда, цифровые синтезаторы частотно — модулированных сигналов предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника В данной конструкции, по сравнению с аналогичными приборами, устранен ряд недостатков: упрощен процесс регулирования, максимальное упрощение конструкции и электрической схемы, защищенность от механических факторов, повышена точность измерений.

В ходе дипломного проектирования решаются следующие задачи:

1) Проводится анализ технического задания.

2) Разрабатывается конструкция цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

3) Проводятся расчеты надежности, виброзащищённости, массы изделия, теплового расчета и расчета элементов печатного монтажа.

Разрабатываются принципиальные схемы синтезатора.

5) Выбирается элементная база.

6) Разрабатываются, выбираются и обосновываются конструктивные составляющие синтезатора.

7) Выбирается метод монтажа и межсоединений.

8) Производится защита конструкции синтезатора от дестабилизирующих факторов.

9) Разрабатываются вопросы технологии изготовления синтезатора.

10) Экономически обосновывается целесообразность изготовления устройства.

С точки зрения охраны труда и экологической безопасности оценивается обеспечение электробезопасности при эксплуатации цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

Решив все приведенные выше задачи необходимо проанализировать полученные по всем пунктам результаты и сделать окончательный вывод по проекту.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на дипломное проектирование.

Источники разработки

Модуль должен быть спроектирован на основе уже существующих схемных решений аналогичных устройств.

Технические требования.

Технические характеристики.

Разрабатываемый модуль должен иметь следующие параметры:

· диапазон частот от 10*-2 до 2.5*10*6 Гц;

· минимальный шаг изменения частоты — 0.0025 Гц;

· скорость перестройки частоты 1 — 10 000 кГц/с;

Конструктивно — технологические требования

Материалы и комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.

Конструкция изделия должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования. Допускается применение специальных приспособлений.

Показатели технологичности конструкции изделия должны соответствовать ГОСТ 14.201 — 73.

Габариты устройства — не заданы.

Масса модуля — не более 3 кг.

Требования к надежности

Наработка на отказ устройства должна быть 2500 часов в нормальных условиях эксплуатации.

Требования к маркировке, эксплуатации и хранению.

Маркировка разрабатываемого устройства должна соответствовать требованиям ГОСТ 21 552– — 84. Она должна содержать:

торговое наименование по ГОСТ 26 794– — 85;

торговый знак и (или) наименования предприятияизготовителя;

месяц и год выпуска;

отметку ОТК предприятия изготовителя;

порядковый номер изделия по системе нумерации предприятия — изготовителя;

предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006;

обозначение стандарта на модуль;

дополнительные требования (определяет предприятие — изготовитель).

Место и способ нанесения маркировки устанавливаются в ТУ на модуль.

Упаковка изделия должна производиться согласно требованиям ГОСТ 21 552– — 84.

Условия эксплуатации должны производиться по ГОСТ 22 261– — 94.

Условия хранения должны соответствовать ГОСТ 22 261– — 94.

Экономические показатели

Тип производства — мелкосерийное. Предполагаемая программа выпуска — 500 шт. в год.

Назначение и общая характеристика цифрового синтезатора ч.м.- сигналов

Разрабатываемое устройство — синтезатор частотно — модулированных сигналов, может использоваться в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Прибор позволяет формировать линейные частотно — модулированные сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м.- ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Выигрыш по быстродействию достигается за счет того, что в данном блоке нет сложных операций с массивами входных данных. Синтезатор формирует сигнал треугольной формы, а затем на фильтре нижних часторт выделяется только первая гармоника сигнала. Фильтр нижних частот служит для подавления в спектре выходного сигнала высокочастотных составляющих и настраивается только на пропускание первой гармоники сформированного сигнала. В результате на выходе синтезатора частот формируется сигнал с линейной частотной модуляцией.

Что касается цифрового синтезатора частотно — модулированных сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты, то применение данного синтезатора в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в к.в. ч.м.- ионозонде позволит решать задачи по исследованию быстропротекающих динамических процессов, происходящих в ионосфере, при ее модификации мощным к.в.- излучением, а так — же в условиях сильных магнитосферных и ионосферных возмущений.

В отличие от цифрового синтезатора без быстрой перестройки рабочей частоты, здесь увеличена скорость перестройки частоты благодаря

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Патентный поиск

Целью патентных исследований является получение исходных данных для обеспечения высокого технического уровня и конкурентоспособности объектов техники, для использования современных объектов НТП и исключения неоправданного дублирования исследований и разработок.

Частью патентных исследований является патентный поиск. Поиск проводится для проверки патентоспособности технического решения, установления уровня техники и патентной чистоты объекта, определения условий реализации прав патентообладателя и т. д.

Различают несколько видов патентного поиска:

первый вид:

тематический (предметный) поиск наиболее распространен, его проводят для выявления изобретений (промышленных образцов, товарных знаков), имеющих отношение к исследуемому вопросу.

второй вид:

именной (тематический) поиск направлен на обнаружение документов конкретного лица (фирмы). Чаще всего он является этапом тематического поиска.

третий вид:

нумерационный поиск имеет целью установить ряд обстоятельств, касающихся конкретного охранного документа: его тематической принадлежности, связи с другими документами, правового статуса.

С целью выяснения патентной чистоты проектируемого модуля был проведен патентный поиск глубиной 3 года в результате которого был обнаружен аналог на территории стран СНГ.

Анализ информации, полученной из сети INTERNET, показал, что подобные усторойства разрабартывались в Марийском ГТУ (г. Йошкар — Ола) и НИРФИ (г. Нижний Новгород).

Сигнал с линейной частотной модуляцией (л.ч.м.) применяли в ионозонде для исследования ионосферы в к.в. — диапазоне. Центральное местоо в этом радиокомплексе занимают цифровые синтезаторы л.ч.м. — сигналов, которые должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в. — канала связи с высокой разрешающей способностью по времени группового запаздывания.

Разработанные цифровые синтезаторы частотно — модулированных сигналов были предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в составе л.ч.м. — ионозонда.

Для решения задач диагностики ионосферы требуется шаг перестройки не более 0.1 Гц, но в связи с тем, что частота выходного колебания цифрового синтезатора в данной системе умножатся в 16 раз, минимальный шаг по частоте в диапазоне частот до 5 МГц не должен был превышать 0.1/16 это примерно равно 0.006 Гц.

Допустимое время переключения частоты колеблется в широких пределах в зависимости от назначения синтезатора. В частности, при использовании синтезатора в связном приемнике на различных частоотах время переключения может быть порядка секунды; при переключении частот здесь допустимы не только скачки фазы, но и полное кратковременное пропадание сигнала. С другой стороны, при использовании цифрового синтезатора частот в адаптивном радиокомплексе в кольце петли фазовой автоподстройки частоты желательно полное отсутствие переходных процессов при переключении частот (нулевое время переключения).

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА Ч.М. — СИГНАЛОВ

Расчет показателей надежности устройства

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия в основном закладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применением правильных способов хранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. Принимая во внимание выше сказанное, следует определить необходимость специальных мер для повышения или же для стабилизации показателей надежности.

В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Для конкретных же объектов и условий эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Применительно к цифровому синтезатору частотно — модулированных сигналов, наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:

— вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки, отказ объекта не возникнет;

— средняя наработка на отказ — отношение суммарной наработки объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки

— заданная наработка (заданное время безотказной работы) — наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций;

— интенсивность отказов — вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после заданного момента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другими словами — это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числу элементов, исправно работающих в данный момент времени.

Оперируя этими понятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведем расчет, приняв следующие допущения:

— отказы случайны и независимы;

— учитываются только внезапные отказы;

— имеет место экспоненциальный закон надежности.

Последнее допущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место только случайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения — закон Пуассона — и вероятность работы в течение времени равна:

(3. 1)

Учитывая то что с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы в изделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг от друга, т. е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого и приводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяется как произведение значений надежности для отдельных элементов [8]:

(3.2)

С учетом (3.1) получим:

(3.3)

где — интенсивность отказовго элемента с учетом режима и условий работы.

Учет влияния режима работы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощью поправочного коэффициента — коэффициента эксплуатации и тогда в формуле (3.4) выразится как:

(3.4)

где — интенсивность отказов — го элемента при лабораторных условиях работы и коэффициенте электрической нагрузки .

Для точной оценки нужно учитывать несколько внешних и внутренних факторов: температуру корпусов элементов; относительную влажность; уровень вибрации, передаваемый на элементы и т. д. С этой целью может быть использовано следующее выражение:

(3.5)

где — поправочный коэффициент, учитывающийый фактор;

— поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры;

— поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки;

— поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности;

— поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий.

Все определяются из справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде и, как объединенные с и с .

После этого можно определить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия по формуле:

(3.6)

где — число элементов в группе;

— интенсивность отказа элементов вой группе;

— коэффициент эксплуатации элементов вой группе;

— общее число групп.

Исходные данные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежности приведены в табл. 3.1 Значения интенсивностей отказов взяты из справочников.

Таблица 3.1 — Справочные и расчетные данные об элементах конструкции

Воспользовавшись данными табл. 3.1 по формуле (3.6) можно определить суммарную интенсивность отказов :

1/час.

Далее найдем среднюю наработку на отказ, применив следующую формулу:

(3.7)

Итак, имеем:

часов.

Вероятность безотказной работы определяется исходя из формулы (3.3), приведенной к следующему виду:

(3.8)

где время безотказной работы.

Итак, имеем:

Среднее время восстановления определяется последующей формуле [8]:

(3.9)

гдевероятность отказа элемента i-ой группы;

— случайное время восстановления элемента i-ой группы.

подставив значения в формулу (3.9), получим среднее время восстановления =0.877ч. Далее можно определить вероятность восстановления по формуле:

(3.10)

где =0.72ч.

Следовательно по формуле (3.10) определим, что больше .

Таким образом, полученные данные удовлетворяют требованиям по надежности, так как при заданном времени непрерывной работы ч проектируемый блок будет работать с вероятностью. При этом он будет иметь среднюю наработку на отказ ч и вероятность восстановления следовательно, дополнительных мер по повышению надежности цифрового синтезатора ч.м. — сигналов не требуется.

Расчет массы изделия

Рассчитаем габаритные размеры, объем и массу изделия по формулам:

V = *, (3.11)

M = Km * , (3.12)

M = M' * V,(3.13)

Здесь V, M — общий объем и масса изделия;

k_v — обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами

Vi, Mi — значения установочных объемов и массы i-х элементов конструкции;

Km — обобщенный коэффициент объемной массы изделия;

М' - объемная масса аппарата;

n — общее количество элементов конструкции изделия.

Исходными данными для расчета являются:

количество элементов в блоке;

установочная площадь каждого элемента;

установочный объем каждого элемента;

установочный вес каждого элемента;

количество деталей;

объем блока;

вес блока;

количество наименований деталей;

линейные размеры.

k_v возьмем равным 0.55. Для прибора можно принять М^=0.4кг/дм³.

Сведения об установочных размерах элементов и их массе сведены в таблицу 3.2

Таблица 3.2

Значение установочного объема и массы элементов изделия

Суммарный объем, занимаемый всеми элементами конструкции, посчитанный по табличным данным составляет

=2 058 625мм³

По формуле (4.1.1)определяем ориентировочный объем блока

V=6 548 000мм³

Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 320×245×150 мм.

По формуле (3.12) определяем ориентировочную массу блока:

М =2.426 кг В соответствии с ТЗ масса блока должна быть не более 3 кг.

По результатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиям технического задания. Коэффициент использования объема равен 0.55 потому.

Расчет теплового режима

Все компоненты блока сопряжения функционируют в строго ограниченном температурном диапазоне. Выход температуры за предельно допустимые пределы может привести к необратимым структурным изменениям. Высокая надёжность и длительный срок службы ЭВА будут гарантированы, если температура среды внутри конструкции нормальная (15±5°C) и изменяется не более чем на 2 °C в час. Для выполнения этого условия необходимо выбрать оптимальную систему охлаждения.

Приведем методику методику расчета.

Исходными данными для выбора охлаждения являются:

суммарная мощность P, рассеиваемая в конструктивном модуле;

давление окружающей среды;

давление внутри блока;

коэффициент заполнения блока;

габаритные размеры блока;

время непрерывной работы t.

Приведем порядок расчета блока в герметичном корпусе:

рассчитывается поверхность корпуса блока по формуле:

Sк=2[l₁*l₂+(l₁+l₂)*l₃],(3.13)

где l₁, l₂ — горизонтальные размеры корпуса;

l₃ — вертикальный размер корпуса.

определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле

Sк=2[l₁*l₂+(l₁+l₂)*l₃*К_з], (3.14)

где К_з — коэффициент заполнения.

определяется удельная мощность корпуса по формуле:

q_к=Рз/Sк (3.15)

где Рз — мощность, рассеиваемая нагретой зоной.

4) рассчитывается удельная мощность нагретой зоны

q_з=Рз/Sз (3.16)

5) находится коэффициент J₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока

J₁=0.1472*q_к-0.2962*10^-3*q_к²+0.3127*10^-6*q_к³ (3.17)

находится коэффициент J₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

J₂=0.1390*q_з-0.1223*10^-3*q_з²+0.0698*10^-6*q_з³ (3.18)

находится коэффициент Кн₁ в зависимости от давления среды вне корпуса блока :

Кн₁=0.82+,(3.19)

где Н₁ — величина атмосферного давления вне корпуса.

находится коэффициент Кн₂ в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н₂

Кн₂=0.8+, (3.20)

9) определяется перегрев корпуса:

J_к=J₁*Кн₁. (3.21)

10) рассчитывается перегрев нагретой зоны:

Jз=Jк+(J₂-J₁)*Кн_2. (3.22)

11) определяется средний перегрев воздуха в блоке:

Jв=0.5*(Jк+Jз)(3.23)

12) определяется удельная мощность элемента:

q_эл=Рэл/Sэл(3.24)

где Рэл — мощность, рассеиваемая элементом, температуру которого требуется определить;

Sэл — площадь поверхности элемента, омываемая воздухом.

13) рассчитывается перегрев поверхности элементов:

Jэл=Jз (а+b*q_эл/q_з) (3.25)

14) рассчитывается перегрев окружающей элемент среды:

Jэ-с=Jв (0.75+0.25*q_эл/q_з)(3.26)

15) определяется температура корпуса блока:

Тк=Jк+Тс (3.27)

где Тс — температура окружающей среды;

16) определяется температура нагретой зоны:

Тз=Jз+Тс (3.28)

17) определяется температура поверхности элемента:

Тэл=Jэл+Тс(3.29)

18) находится средняя температура воздуха в блоке:

Тв=Jв+Тс(3.30)

19) рассчитывается температура окружающей среды:

Тэ-с=Jэ-с+Тс (3.31)

Расчет конструкции на виброзащищенность

Для того чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчет собственной частоты вибраций платы. В данном случае плата является единственной колебательной системой. Жесткость платы зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.

Печатная плата имеет прямоугольную форму следующих размеров:

axbxh=280 мм x 150 мм x 1.5 мм При расчете собственной частоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:

плата представляется в виде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;

ЭРЭ на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

плата с элементами принимается за тонкую пластину, так как b/h0,1, толщина платы принимается постоянной, h = const;

материал платы однородный, идеально упругий, изотропный;

возникающие изгибные деформации малы по сравнению с толщиной платы;

при изгибе платы нейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).

Для пластин с четырьмя точками крепления частота собственных колебаний платы, определяется по формуле:

(3.11)

где a = 0,28 м. длинна платы;

b = 0,15 м. ширина платы;

цилиндрическая жесткость платы, ;

;

распределенная по площади масса платы и элементов, .

Цилиндрическая жесткость платы определяется по формуле:

(3.12)

где — модуль упругости материала платы;

— толщина платы;

— коэффициент Пуассона.

(3.13)

Распределенная по площади масса платы и элементов определяется из выражения:

(3.14)

где — удельная плотность материала платы;

— масса элементов, установленных на плате, .

(3.15)

где — масса i — го элемента, установленного на плате, ;

n = 40 — количество элементов, установленных на плате.

Воспользовавшись справочными данными получим

m_э = 104,210 —³ кг. следовательно, Подставляя найденные величины в формулу (4.2.1), определим минимальную частоту собственных колебаний платы. Она будет минимальной при, .

В результате механических воздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса. Чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений, нарушения контактов в разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить выполнение условия

(3.16)

где — минимальная частота собственных колебаний платы;

— ускорение свободного падения, g = 9,8м/c²;

— безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

— максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g.

Следовательно,

min 85Гц Значит, проектируемая плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

Определим эффективность виброзащиты по формуле:

(3.17)

где — верхняя частота диапазона воздействующих частот, Гц;

— резонансная колебаний печатной платы, Гц.

Подставив значения, получим:

.

Таким образом, можно сказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных воздействий.

3.1 Разработка принципиальных схем синтезатора

Цифровой синтезатор частотно — модулированных сигналов позволяет формировать л.ч.м. — сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м. — ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

На принципиальной схеме цифрового синтезатора частотно — модулированных сигналов наиболее полно изображены все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. — сигналов

Принципиальная схема цифрового сиртезатора приведена на схеме 003. Э3. В качестве опорного генератора использован стандарт частоты и времени Ч1 — 73, частота которого удваивается при помощи умножителя частоты; блок задержки выполнен на триггерах Шмитта DD1, ждущих мультивибраторах DD2 и логических элементах DD3; оба блока ПЗУ — DD4 — DD7; регистр памяти Рг1 объединен в одном корпусе с накопителем Н1 — DD10, DD11, а регистр памяти Рг2 с накопителем Н2 — DD8, DD9; цифроаналоговый преобразователь DD12 включает в свой состав также преобразователь кодов. Устройство работает следующим образом. Сигнал опорного генератора (Ч1 — 73) частотой 5 МГц поступает на удвоитель частоты, и на вход 1/DD1 подается сигнал с тактовой частотой fТ = 10 МГц, из которого формируются импульсы формы «меандр», разнесенные по времени на величину задержки переключения триггеров Шмитта: CLK1, CLK2, CLK3, CLK4, которые подключены к входам синхронизации 2/DD8 — DD11.

По положительному фронту импульса запуска fз запускаются ждущие мультивибраторы, собранные на микросхеме DD2, которые формируют импульсы отрицательной полярности длительностью 1 = 0.333 мкс и 2 = 0.1 мкс. Эти импульсы служат для записи кода начальной частоты во входной регистр первого накопителя. Из управляющей э.в.м. адрес кода начальной частоты Сi поступает на адресные входы 8 — 1, 23, 22, 19/DD4 — DD7. С приходом первого тактового импульса 32 — разрядный код Ci записывается в регистр первого накопителя (DD8, DD9), по второму тактовому импульсу происходит установка в «0» его входного регистра и сумма S = Ci + 0 переписывается в регистр второго накопителя (DD10, DD11). После завершения действия импульсов запуска с каждым последующим тактовым импульсом будет происходить изменение результата суммирования в первом накопителе DD8, DD9, который является счетчиком частоты по формуле:

A = Ci + T/Dk

где, А — результат суммирования, Ci — код начальной частоты, Т — номер тактового импульса, Dk — код коэффициента деления счетчика.

В приведенной схеме отсутствуют блок ПЗУ1 и счетчик с предварительной установкой Сч, поэтому Dk = 1 и скорость изменения частоты будет постоянной. Во втором накопителе DD10, DD11 выходной код изменяется по формуле:

B = AT = CiT + T*2/ Dk.

Старший разряд 18/DD10 является знаковым и управляется инверсией (L, H) ЦАП — 20, 21/DD12. Если SSGN = 1 — обратный код суммы. На выходе ЦАП формируется аналоговый сигнал с максимальной частотой fc до 2.5 МГц.

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. — сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты

Принципиальная схема цифрового синтезатора ч.м. — сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты показана на схеме 004. Э3. В качестве опорного генератора исспользуется сигнал стандарта частоты и времени Ч1 — 73 частотой 5 МГц. Блок задержки содержит триггеры Шмитта DD1, ждущие мультивибраторы DD2, логические элементы 2И — НЕ DD3; делитель с переменным коэффициентом деления DD4 служит для задания скорости изменения частоты синтезатора; блок ПЗУ рализован на DD5, DD6; счетчик частоты (синхронный) Сч — DD7 — DD10. Умножитель кодов объединен с накопителем — DD11; преобразователь кодов — DD12 — DD14; цифроаналоговый преобразователь — DD15. Микросхема К1518ВЖ1 представляет собой умножитель аккумулятор, т. е. умножитель кодов со встроенным 35 — разрядным накопителем произведений. Если на вход 52 /DD11 подать логическую «1», то будет происходить накопление результатов произведения по формуле:

= S = XiYjT + YjT*2

где S — код суммирования, Xi — константа, записанная в блоке постоянного запоминания, Т — номер тактового импульса.

Устройство работает следующим образом. На адресные входы 8 — 1, 23, 22, 19/DD5, DD6 из управляющей э.в.м. поступает адрес выборки Xi и на входы 8 — 23/DD11 — код Yj, которые определяют частотусинтезиркемого сигнала; код коэффициента деления счетчика Dk — на входы 3 — 6/DD4. При поступлении импульса запуска на входы 2, 10/DD2 ждущих мультивибраторов, собраных на элементах DD2.1, DD2.2 и DD3, формируются импульсы записиотрицательной полярности, которые поступают на входы 9/DD7 — DD10 и 2/DD7 — DD10 счетчика частоты, при этом 16 — разрядный код Yj — в регистр Yj умножителя кодов DD11, а 4 — разрядный код Dk — в счетчик с предварительной установкой DD4.

Затем с каждым тактовым импульсом Т выходной код счетчика частоты обновляется по формуле:

П = XY = (Xi + T) Yj

а код произведения будет изменяться по формуле:

S = ПТ = (Xi + T) YjT = XiYjT + YjT*2

При постоянных коэффициентах это соответствует линейному закону изменения частоты. Цифровой синтезатор с быстрой перестройкой рабочей частоты может быть использован в составе передающих и приемных устройств для повышения помехозащищенности, скрытности и надежности систем к.в.- и у.к.в. — связи.

3.2 Выбор и обоснование элементной базы

При проектировании цифрового синтезатора частотно — модулированных сигналов одним из самых важных этапов является выбор типов элементов, входящих в конструкцию. Правильно выбранная элементная база позволит обеспечить надежное функционирование составных частей и всего изделия в целом; снизить вероятность возникновения помех из-за несогласованности входов одних элементов с выходами других; получить высокие эксплуатационные характеристики; уменьшить энергопотребление за счет применения элементов, изготовленных по передовым технологиям; добиться лучших массогабаритных показателей; повысить ремонтопригодность аппаратуры; расширить технические возможности разрабатываемой аппаратуры.

В общем случае критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

1) технические параметры ЭРЭ:

— номинальные значения параметров ЭРЭ согласно схеме электрической принципиальной;

— допустимые рабочие напряжения;

— допустимые рассеиваемые мощности;

— диапазон рабочих частот;

— коэффициент электрической нагрузки;

2) эксплуатационные параметры:

— диапазон рабочих температур;

— относительная влажность воздуха;

— давление окружающей среды;

— вибрационные и ударные нагрузки.

Дополнительными критериями выбора ЭРЭ являются: надежность, унификация ЭРЭ, масса и габариты, стоимость. Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволит обеспечить стабильную работу на протяжении всего срока службы изделия.

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплутационных параметров радиоэлементов, используемых в разрабатываемом синтезаторе частотно — модулированных сигналов.

Мы имеем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующего типа:

К53−1А — конденсаторы оксидные алюминиевые полярные с фольговыми обкладками. Предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующих токов — интервал температур -20 …+70 ⁰С;

— относительная влажность при +40 ⁰С до 98% ;

— давление 6,6 … 2942 гПа.

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов конденсаторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации устройства.

Мы имеем следующие характеристики используемых резисторов:

МЛТ:

— номинальная мощность 0,125 и 0,25 Вт;

— диапазон номинальных сопротивлений ;

— масса 0,15 г;

— уровень собственных шумов 1, 5 ;

— температура окружающей среды при нормальной электрической нагрузке от -60 до +70 ;

— относительная влажность воздуха при температуре до 98%;

— пониженное атмосферное давление до 133 Па;

— предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока 200 В;

— минимальная наработка 25 000 ч;

— срок сохраняемости 25 лет.

Условия эксплуатации выбранных резисторов совпадают с условиями эксплуатации проектируемого прибора, следовательно эти элементы пригодны для применения.

Если рассматривать выбранные для синтезатора микросхемы, то можно убедиться, что и они полностью подходят к устройству.

Таким образом, применение в измерителе углов смещения современной новейшей базы позволяет получить более высокие показатели компоновки, надёжности, энергопотребления, а следовательно, и снижение температурных режимов, что выгодно как с конструкторской точки зрения, так и с экономической. Применение новой современной базы позволят использовать высокоэффективные техпроцессы.

Не менее важным этапом в проектировании является выбор материалов несущих конструкций и деталей. Однако выбор материала является сложной задачей, так как в большинстве случаев деталь можно изготовить либо из однородного материала, либо из сложной их совокупности.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей, с учетом следующих факторов:

1) Материал определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических воздействий;

2) Материал определяет технологические характеристики детали;

3) От свойств материала зависит точность изготовления детали;

4) Материал влияет на габариты и массу прибора;

5) Материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность.

Исходя из вышеперечисленных факторов, для корпуса цифрового синтезатора частотно — модулированных сигналов выбран материал-дюралюминий Д16. Этот выбор можно объяснить тем, что данный материал удовлетворяет требованиям достаточной прочности и жесткости, а также дает весомый выигрыш в массе по сравнению с другими металлическими материалами.

В качестве материала для печатной платы используем стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой слоистый прессованный материал, пропитанный терсореактивным связующим и облицованный с одной из двух сторон медной электролитической оксидированной или гальваностойкой фольгой. Стеклотекстолит марки СФ -2 — 35−1.5 ГОСТ 10 316–78. Толщина материала с фольгой составляет 1.5мм, толщина фольги 35 мкм. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой спресованные слои стеклоткани, пропитанные эпокалфенольной смолой с содержанием смолы 40%, применяется для ОПП и ДПП.

В качестве припоя используется ПОС-61 ГОСТ 21 931;76. Припой представляет собой сплав олова 60% и свинца 40%, применяемый в качестве связующего вещества при пайке ЭРЭ на печатную плату, а также для внутриблочной пайки соединений. Температура плавления припоя ПОС-61 составляет 190 .

После сборки и пайки платы устройства для защиты от влаги и пыли ее защищают с помощью лака УР 231.

Все выше перечисленные качества позволяют разработать высококачественные, конкурентноспособные.

3.3 Предварительная компоновка устройства

Широкое распространение в практике конструирования получила плоская компоновка, когда интегральные микросхемы (ИМС) и электрорадиоэлементы (ЭРЭ) устанавливаются в плоскости платы. Для плоской компоновки характерна малая высота установки ИМС и ЭРЭ по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ, легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный теплоотвод являются основными преимуществами плоской компоновки. Для исключения влияния на схему помех по электропитанию на плату совместно с микросхемами устанавливают развязывающие конденсаторы.

При размещении компонентов на плате реализуемая электронная схема разбивается на функционально связанные группы. Затем производится размещение компонентов каждой группы. Группы компонентов, имеющие наибольшее число внешних связей, размещаются вблизи соединителя. Группа с наибольшим числом связей с уже размещенной на плате группой компонентов располагается рядом и т. д. При размещении стараются обеспечить равномерное распределение масс компонентов по поверхности платы, минимальные длины связей, максимальную помехозащищенность. Руководствуясь выше перечисленными правилами расположим память ближе к регистру памяти, который объединен с накопителем, регистрыближе к шине, чтоб обеспечить минимальную длину связей данной функциональной группы. ЦАП — ближе к разъему, тем самым максимально уменьшим длину связей, по которым передается цифровой сигнал и избежим излишних помех.

От правильного расположения корпусов микросхем на печатных платах зависят габариты, надежность работы, помехоустойчивость платы. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости печатных плат, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется площадь платы, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатные платы следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта их размещения.

Выбор шага установки микросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки микросхем, температурным режимом работы, сложностью принципиальной электрической схемы и конструктивными параметрами корпуса микросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки ИМС рекомендуется принимать кратным 2.5 мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1.5 мм. В технически обоснованных случаях шаг установки микросхем может быть принят кратным 1.25 мм. Микросхемы на печатных платах располагают линейно-многорядно, однако, допускается их размещение в шахматном порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

В цифровом синтезаторе частотно — модулированных сигналов используются микросхемы со штыревыми выводами. Микросхемы с такими выводами располагают только с одной стороны печатной платы. Это объясняется тем, что монтаж штыревых выводов, как правило, производят в сквозные металлизированные отверстия, причем концы выводов выступают на обратной стороне платы.

Корпуса микросхем на плате удерживаются припаянными выводами. Штыревые выводы удерживают корпус микросхемы достаточно прочно и выдерживают практически любые механические воздействия.

Установку микросхем в корпусах со штыревыми выводами на печатную плату производят с зазором или с прокладкой. Величину зазора рекомендуется выбирать в пределах 1−2 мм. В технически обоснованных случаях можно применять изоляционные прокладки, предварительно приклеивая их к поверхности.

3.4 Разработка, выбор и обоснование конструктивных составляющих синтезатора

В соответствии с техническим заданием на дипломное проектирование цифровой синтезатор частотно — модулированных сигналов представляет собой плату помещенную в корпус. Этот прибор должен позволять формировать л.ч.м. — сигналы и работать в составе л.ч.м. — ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Применение печатных плат, позволяет улучшить следующие параметры:

надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;

технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;

плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;

быстродействие;

помехозащищенность элементов и схем.

Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполненкак на поверхности, так и в объеме основания (ГОСТ 20 406−75).

В качестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т. д.). Проводящий рисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).

В зависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен ряд значений толщины оснований печатных плат: гибких (0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких (0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 мм). По конструктивному исполнению ПП классифицируются на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т. д.

При разработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:

первая:

конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

вторая:

схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметров линий связи;

третья:

теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод;

четвертая:

технологические: выбор метода изготовления, защита;

Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики; от расположения печатных проводников — степень влияния их друг на друга.

В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.

Комбинированный метод.

Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 — 0,3 мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.

Конструирование печатных плат осуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокую производительность при конструировании и разработке конструкторской документации.

Особое значение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до несколькихдесятков. Однимииз основных документов являются: ГОСТ 23 751–86 и ГОСТ 23 752–79.ГОСТ 23 751−86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23 752–79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.

Печатные платы должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних и внутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронного модуля, печатного узла), выясняют те из них, которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости.

При выборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующие факторы:

возможность выполнения всех коммутационных соединений;

возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;

— технико-экономические показатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС, такие как, стоимость, габариты.

Возможность выполнения всех коммутационных соединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочной способности и количества слоев ПП. При выборе типа ПП следует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышенной ремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационные способности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокой стоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.

Исходя из выше изложенного, а также анализируя схему электрическую принципиальную, можно заключить, что плата должна быть двухслойной. Это объясняется тем, что размеры платы не ограничены, число связей между элементами не очень большое. Так как в качестве навесных элементов используются интегральные схемы в корпусах с большим числом близко расположенных выводов, контактные площадки на печатной плате сближаются на столько, что между ними не возможно проложить необходимое число проводников. Исходя из особенностей технологического процесса изготовления печатных плат, можно провести всего лишь один проводник между выводами микросхем. Плата будет состоять из двух слоев. В каждом слое печатной платы группы проводников выполняют определенные функции: цепи питания, земли, сигнальные цепи. Введем в конструкцию платы на один слой питания и на второй слой земли. Это позволяет развязывать цепи питания по переменному току, а слой земли служит экраном от электромагнитных помех.

После выбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23 751–86 устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса — требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунок на основании ПП 1−3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы). Класс точности определяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактной площадки и другие. Естественно, что выбор определенного класса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы, а также из конструктивно-технологических и других соображений.

Толщину основания печатной платы H_п, в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и технологическими возможностями металлизации отверстий. Толщина печатной платы также зависит от конструктивных особенностей, а именно конструктивными особенностями разъема в который будет вставляться плата. Зазор между прижимными пружинами в разъеме составляет 1 мм, следовательно для надежного крепления H_п выберем равной 1,5 мм.

Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы. Так как печатная плата двухслойная, то в качестве материала платы выберем стеклотекстолит СФ2 — 35 — 1,5.

С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются следующие: сплав Розе (1.5−3 мкм), сплав О-С (9−15 мкм), серебро-сурьма (6−12 мкм), палладий (1−5 мкм), никель (3−6 мкм), медь (25−30 мкм) и другие. В нашем случае мы выбрали сплав Розе.