Разработка конструкции цифрового синтезатора частотно–модулированных сигналов

 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)

где -вероятность 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;

kv – 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:

1)  количество элементов в блоке;

2)  установочная площадь каждого элемента;

3)  установочный объем каждого элемента;

4)  установочный вес каждого элемента;

5)  количество деталей;

6)  объем блока;

7)  вес блока;

8)  количество наименований деталей;

9)  линейные размеры.

kv возьмем равным 0.55. Для прибора можно принять Мў=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

=2058625мм3

По формуле (4.1.1)определяем ориентировочный объем блока

V=6548000мм3

Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 320х245х150 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:

1)  суммарная мощность P, рассеиваемая в конструктивном модуле;

2)  давление окружающей среды;

3)  давление внутри блока;

4)  коэффициент заполнения блока;

5)  габаритные размеры блока;

6)  время непрерывной работы t.

Приведем порядок расчета блока в герметичном корпусе:

1)  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.

2)  определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле

Sк=2[l1*l2+(l1+l2)*l3*Кз], (3.14)

где Кз – коэффициент заполнения.

3)  определяется удельная мощность корпуса по формуле:

qк=Рз/Sк (3.15)

где Рз – мощность, рассеиваемая нагретой зоной.

4) рассчитывается удельная мощность нагретой зоны

qз=Рз/Sз (3.16)

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

J1=0.1472*qк-0.2962*10-3*qк2+0.3127*10-6*qк3 (3.17)

6)  находится коэффициент J2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

J2=0.1390*qз-0.1223*10-3*qз2+0.0698*10-6*qз3 (3.18)

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

Кн1=0.82+,(3.19)

где Н1 – величина атмосферного давления вне корпуса.

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

Кн2=0.8+, (3.20)

9) определяется перегрев корпуса:

Jк=J1*Кн1. (3.21)

10) рассчитывается перегрев нагретой зоны:

Jз=Jк+(J2–J1)*Кн2. (3.22)

11) определяется средний перегрев воздуха в блоке:

Jв=0.5*(Jк+Jз)(3.23)

12) определяется удельная мощность элемента:

qэл=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*qэл/qз) (3.25)

14) рассчитывается перегрев окружающей элемент среды:

Jэ-с=Jв(0.75+0.25*qэл/qз)(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/h<0,1, 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
mэ = 104,2´10 –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 t1 = 0.333 мкс и t2 = 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:

j = 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 25000 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 10316-78. 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 21931-76. 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 [5]. Руководствуясь выше перечисленными правилами расположим память ближе к регистру памяти, который объединен с накопителем, регистры –ближе 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 [6].          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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6