Блок интерфейсных адаптеров - дипломная работа

СОДЕРЖАНИЕ

1. Разработка технического задания

2. Литературно-патентный поиск

3. Анализ исходных данных и основные технические требования к разрабатываемой конструкции

3.1. Анализ климатических факторов

3.2. Анализ дестабилизирующих факторов

4. Выбор и обоснование элементной базы, унифицированных узлов, установочных изделий и материалов конструкции

4.1 Выбор и обоснование элементной базы

4.2 Выбор и обоснование унифицированных узлов и установочных изделий

4.3 Выбор материалов

5. Описание схемы электрической структурной, электрической принципиальной

5.1 Описание схемы электрической структурной

5.2 Описание схемы электрической принципиальной

6. Выбор и обоснование компоновочной схемы, методов и принципов конструирования

6.1 Выбор и обоснование компоновочной схемы

6.2 Выбор и обоснование методов конструирования

7. Выбор способов и методов теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования

7.1 Выбор способа теплозащиты

7.2 Выбор способов и методов герметизации

7.3 Выбор способов и методов экранирования

7.4 Выбор способов и методов виброзащиты

8. Расчет конструктивных параметров изделия

8.1 Компоновочный расчет блоков РЭС

8.2 Расчет теплового режима

8.3 Расчет надежности

8.4 Расчет механической прочности

8.5 Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы....

8.6 Расчет электромагнитной совместимости

9. Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики

10. Мероприятия по защите от коррозии, влаги, электрического удара, электромагнитных полей и механических нагрузок

11. Технико-экономическое обоснование конструкции

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Производство РЭА в настоящее время развивается высокими темпами, находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса. Современная РЭА используется в радиолокации, радионавигации, системах связи, вычислительной технике, машиностроении, на транспорте, в физических, химических, медицинских и биологических исследованиях и т. д. В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей РЭА и серьезном улучшении таких технико-экономических показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и технологии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства РЭА реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям. Проектирование современной РЭА - сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия радиотехнических систем, - схемы и конструкции аппаратуры и технология ее изготовления. Требования, предъявляемые к РЭА, постоянно ожесточаются, а усложнение аппаратуры приводит к необходимости внедрения последних достижений науки и техники в разработку, конструирование и технологию РЭА. Радиоэлектроника немыслима сегодня без новой технической базы, в первую очередь, функциональной электроники и микроэлектроники. Создание интегральных микросхем , сверхбольших интегральных схем (СБИС), изделий функциональной микроэлектроники и многослойного монтажа позволило резко повысить надежность РЭА, уменьшить ее габариты, массу. Основное требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т. е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности. Современные методы конструирования должны обеспечивать: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы; увеличение степени интеграции, микроминиатюризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; взаимосвязь оператора и аппаратуры; широкое внедрение методов оптимального конструирования; высокую технологичность, однородность структуры; максимальное использование стандартизации. В данном дипломном проекте необходимо разработать конструкцию блока интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения. В ходе дипломного проектирования решаются следующие задачи:

- проводится разработка технического задания с точки зрения конструктора РЭА;

- анализируется схема электрическая принципиальная;

- обосновываются элементная база и материалы проектируемого изделия;

- проводится выбор базовой несущей конструкции;

- производится компоновочный расчет;

- на этапе разработки конструкции печатной платы выполняется расчет проводящего рисунка. Детально оценивается помехоустойчивость платы;

- анализируется тепловой режим;

- оценивается виброзащищенность и устойчивость конструкции в отношении механических воздействий;

- проводится расчет надежности;

- разрабатывается комплект конструкторской документации.

1 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Цель и назначение разработки

1.1.1 Целью разработки является изучение методов и приемов конструирования и автоматизации устройств и узлов РЭС различного назначения.

1.1.2 Назначение разработки - создание конструктивно законченного устройства на базе микропроцессорной техники.

1.1.3 Разработка должна обеспечить создание базовой модели блока интерфейсных адаптеров.

1.1.4 Дальнейшее развитие разработки должно выполняться путем создания модификаций базовой модели, отличающихся конфигурацией и изменениями функций на основе частных технических заданий.

1.1.5 Блок интерфейсных адаптеров предназначен для передачи информации от внешних устройств системы технического зрения на пульты операторов слежения, сопровождения и целеуказаний, а также с системы автоматического управления на внешние устройства.

1.2 Основание для разработки

1.2.1 Основанием для разработки является программа курса «КРЭА и АП» для вузов по специальности Т08.01, утвержденная Министерством образования Республики Беларусь 1995г.

1.3 Наименование и область применения

1.3.1 Блок интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения предназначен для использования в помещениях с повышенной влажностью и искусственно регулируемыми условиями (закрытые отапливаемые помещения).

1.3.2 Областью применения блока интерфейсных адаптеров является система технического зрения.

1.4 Источники разработки

1.4.1 Источниками разработки является схема электрическая принципиальная блока интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения.

1.4.2 Разработка блока интерфейсных адаптеров должна выполнятся на базе следующих патентов:

- сетевой контроллер, А.с. 1564641, Н 04 Q 9/00, СНГ, МКИ №18 1990г.;

- устройство преобразования и коммутации сигналов, А.с. 1566505, Н 04 Q 9/00, СНГ, МКИ №19 1990г.;

- устройство передачи и приема информации для интегрированной сети связи, А.с. 1734241, Н 04 Q 9/00, СНГ, МКИ №18 1992г.;

- система управления передачей данных, А.с. 1-23039, Н 04 Q 9/00, Япония, ИСМ №2 1990г.;

- система передачи данных, А.с. 1- 48719, Н 04 Q 9/14, Япония, ИСМ №6 1990г.;

- устройство управления доступом к общему каналу связи, А.с. 1598215, Н 04 Q 9/00, ФРГ, ИСМ №1 1991г.;

1.5 Технические требования

1.5.1 Состав изделия и требования к конструктивному исполнению устройства

1.5.1.1 Блок интерфейсных адаптеров должен содержать следующие составные части:

¾ преобразователь аналогово-цифровой;

¾ схема сопряжения с пультом оператора слежения;

¾ схема сопряжения с пультом оператора сопровождения;

¾ схема сопряжения с пультом оператора целеуказаний;

¾ адаптер ЭВМ;

¾ схема сопряжения с визиром видиообзора;

¾ схема сопряжения с АРЛС;

¾ модуль питания РТР-2008 (5 В, 20 А).

1.5.1.2 Блок интерфейсных адаптеров должен изготавливаться в соответствии с требованиями ГОСТ 21552 - 84, соответствовать требованиям настоящего ТЗ, ТУ и комплекта конструкторской документации.

1.5.1.3 Принцип построения блока интерфейсных адаптеров должен обеспечивать:

¾ взаимозаменяемость сменных одноименных составных частей;

¾ возможность построения и расширения, совершенствования и изменения технико-эксплуатационных характеристик;

¾ ремонтопригодность.

1.5.1.4 Габаритные размеры корпуса блока должны быть не более, м :

длина - 0,483;

ширина - 0,295;

высота - 0,264.

1.5.1.5 Масса блока должна быть не более 5 кг.

1.5.1.6 Конструктивно блок должен предусматривать установку в стойку по направляющим и закрепление в ней винтами.

1.5.1.7 Конструкция блока должна обеспечивать:

¾ удобство эксплуатации;

¾ возможность ремонта;

¾ доступ ко всем элементам, узлам, требующим регулирования или замены в процессе эксплуатации.

1.5.1.8 Структура блока и его конструктивное выполнение должны обеспечивать объединение составных частей в единый базовый конструктив.

1.5.1.9 Блок должен быть работоспособным при электропитании от однофазной сети переменного тока номинальным напряжением 220В и частотой переменного тока 50 Гц, при этом нормы качества электрической энергии при электропитании от государственной энергетической системы - по ГОСТ 13109-67.

1.5.1.10 Электрическая прочность изоляции блока интерфейсных адаптеров между токоведущими цепями, а также между токоведущими цепями и корпусом в нормальных климатических условиях эксплуатации должна обеспечивать отсутствие пробоев и поверхностных перекрытий изоляции.

1.5.1.11 По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды блок интерфейсных адаптеров должен соответствовать климатическому исполнению к категории размещения УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69.

1.5.1.12 Для антикоррозионной защиты поверхность деталей, сборочных единиц и блока в целом применять гальванические и лакокрасочные покрытия.

1.5.2 Показатели назначения

1.5.2.1 Потребляемая мощность блока, Вт, не более 30.

1.5.2.2 Скорость приема-передачи по каналу передачи

информации, Мбит/с 2.

1.5.2.3 Максимальное расстояние при скорости передачи

2 Мбит/с, м 120.

Допускается передача на большие расстояния при пропорциональном уменьшении скорости, но не менее 28800 бит/с.

1.5.2.4 Максимальное число подключаемых внешних устройств 14.

1.5.2.5 Каждая цепь взаимосвязи должна быть реализована так, чтобы она питалась напряжением со стороны приемника.

1.5.3 Требования к надежности

1.5.3.1 Показатели должны соответствовать заданным значениям при нормальных климатических условиях (температура окружающей среды +20°С, относительная влажность 60 %, атмосферное давление (84...1037)10² Па); с отклонениями напряжения сети 220В от +10% до -15% от номинального значения, частотой (50±1) Гц.

1.5.3.2 Средняя наработка на отказ, ч 121114.

1.5.3.3 Вероятность безотказной работы 0,9.

1.5.3.4 Среднее время восстановления, ч 0,5.

1.5.3.5 Коэффициент технического использования, не менее 0,95.

1.5.3.6 Средний срок службы - не менее 10 лет с учетом проведения восстановительных работ.

1.5.3.7 Средний срок сохраняемости (до ввода в эксплуатацию) - не менее 9 месяцев.

1.5.3.8 После восстановления работоспособности, по окончании ремонтно-восстановительных работ, изделие должно сохранять показатели назначения, изложенные в настоящем документе.

1.5.4 Требования к технологическому и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации

1.5.4.1 Параметры блока интерфейсных адаптеров должны контролироваться с помощью стандартных измерительных приборов обслуживающим персоналом средней квалификации.

1.5.4.2 Требования к технологичности должны соответствовать ГОСТ 14.201-83.

1.5.4.3 Конструкция изделия должна обеспечивать возможность выполнения монтажных работ с соблюдением требований технических условий на установку и пайку комплектующих изделий.

1.5.4.4 Конструкция изделия в целом и отдельных сложных узлов должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования.

1.5.4.5 При изготовлении блока интерфейсных адаптеров должны применяться стандартные методы и универсальные средства измерений, серийное испытательное оборудование. Допускается для проведения климатических проверок при технологическом прогоне применять специально приготовленную камеру или специально оборудованное оборудование.

1.5.4.6 Конструкция блока должна обеспечивать его сборку и монтаж при подготовке к эксплуатации без применения специальных оборудований, приспособлений и инструмента.

1.5.5 Требования к уровню унификации и стандартизации

1.5.5.1 Конструкция блока интерфейсных адаптеров должна быть оформлена в унифицированном корпусе для субблоков кассетного типа. Основой корпуса является каркас, образованный двумя литыми из алюминиевого сплава рамками, соединенными между собой продольными профилированными планками.

1.5.5.2 В качестве комплектующих единиц и деталей (коммутационные, установочные, крепежные, изделия электроники) должны применяться серийно выпускаемые изделия.

1.5.5.3 Сборочные единицы типа монтажных плат, панелей, крепежных и установочных узлов должны быть унифицированными.

1.5.5.4 В конструкции блока интерфейсных адаптеров должны быть заимствованы сборочные единицы, узлы и детали из ранее разработанных изделий.

1.5.5.5 Параметры уровня унификации и стандартизации блока должны быть следующими:

¾ коэффициент применяемости К_пр = 60 %.

1.5.6 Требования безопасности и требования по охране труда

1.5.6.1 Конструкцией блока интерфейсных адаптеров должна быть обеспечена безопасность персонала при эксплуатации. Общие требования электрической и механической безопасности по ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 25861-83.

1.5.6.2 Конструкция блока должна исключать попадание внутрь посторонних предметов.

1.5.6.3 По способу защиты человека от поражения электрическим током блок интерфейсных адаптеров должен быть изготовлен в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007-75 и ГОСТ 25861-83. Класс защиты - 2.

1.5.6.4 Меры защиты от поражения электрическим током должны соответствовать требованиям ГОСТ 25861-83 и ГОСТ 12.1.019-75.

1.5.6.5 В блоке интерфейсных адаптеров должна быть обеспечена защита от коротких замыканий.

1.5.6.6 Общие требования к обеспечению пожарной безопасности в производственных помещениях по ГОСТ 12.1.004-85.

1.5.7 Условия эксплуатации, требования к техническому

обслуживанию и ремонту

1.5.7.1 Блок интерфейсных адаптеров должен быть выполнен для климатического исполнения УХЛ 4.2 согласно ГОСТ 15150-69 и нормально функционировать при следующих климатических условиях:

¾ верхнее значение температуры окружающей среды, °С +35;

¾ нижнее значение температуры окружающей среды, °С +10;

¾ относительная влажность воздуха при температуре +20°С, % 60.

1.5.7.2 Предельно допустимые условия эксплуатации блока интерфейсных адаптеров должны соответствовать:

¾ верхнее значение температуры окружающей среды, °С +40;

¾ нижнее значение температуры окружающей среды, °С +1;

¾ относительная влажность воздуха при температуре +25°С, % 80;

¾ атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.) 84,0...107,0 (630...800).

1.5.7.3 Время подготовки блока интерфейсных адаптеров к использованию после транспортировки и хранения не должно превышать 10 минут.

1.5.7.4 Рабочий режим в блоке должен устанавливаться не более чем через 3 минуты после включения.

1.5.7.5 К обслуживанию блока интерфейсных адаптеров должны допускаться лица прошедшие подготовку и имеющие квалификационную группу не ниже второй по работе на электроустановках с напряжением до 1000 В, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

1.5.8 Эстетические и эргономические требования

1.5.8.1 Блок интерфейсных адаптеров должен отвечать общим требованиям эстетики по ГОСТ 24750-81.

1.5.9 Требования к маркировке и упаковке

1.5.9.1 Маркировка должна наносится на табличку, прикрепленную к корпусу блока интерфейсных адаптеров и изготовленную в соответствии с требованиями ГОСТ 12969-67 и ГОСТ 12971-67.

1.5.9.2 Маркировку выполняют любым способом. Способ и качество выполнения маркировки должно обеспечивать четкое и ясное изображение ее в течении срока службы блока интерфейсных адаптеров.

1.5.9.3 Маркировка должна содержать:

¾ наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;

¾ шифр и условное обозначение блока интерфейсных адаптеров;

¾ порядковый номер блока интерфейсных адаптеров по системе нумерации предприятия-изготовителя;

¾ дату изготовления (год и месяц).

1.5.9.4 Маркировка потребительской тары с изделием должна содержать:

¾ наименование предприятия-изготовителя;

¾ наименование и условное обозначение изделия;

¾ год и месяц упаковки.

1.5.9.5 Упаковка должна выполняться в виде картонного ящика с вкладышами из пенополиуретана.

1.5.9.6 Упаковка должна обеспечивать сохранность изделия при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировании, хранении и необходимую защиту от внешних воздействий.

1.5.9.7 Каждое изделие в упаковке должно фиксироваться в транспортной таре.

1.5.10 Требования к транспортировке и хранению

1.5.10.1 Блок интерфейсных адаптеров в упаковке предприятия-изготовителя транспортируют на любое расстояние автомобильным и железнодорожным транспортом (в закрытых транспортных средствах), авиационным транспортом (в герметизированных отсеках самолетов), водным транспортом (в трюмах судов). Транспортирование должно осуществляться в соответствии с правилами перевозок, действующими на каждом виде транспорта.

1.5.10.2 Условия транспортирования блока интерфейсных адаптеров в таре для транспортирования должны быть:

¾ температура окружающего воздуха, °С -50...+50;

¾ относительная влажность воздуха при +30°С, % 95;

¾ атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.) 84,0...107,0 (630...800).

1.5.10.3 Размещение и крепление упакованных изделий в транспортных средствах должно обеспечивать их устойчивое положение, исключить возможность ударов их друг о друга.

1.5.10.4 Блок интерфейсных адаптеров должен храниться в упаковке в складских помещениях у изготовителя и потребителя при температуре воздуха 5...35°С и относительной влажности воздуха не более 85 %. В помещениях для хранения не должно быть агрессивных примесей (паров, кислот, щелочей), вызывающих коррозию.

1.5.10.5 Изделие следует хранить на стеллажах.

1.5.10.6 Расстояние между стенами, полом хранилища и изделием должно быть не менее 100мм, а между отопительными устройствами не менее 0,5м.

1.6 Экономические показатели

1.6.1 Сравнительные характеристики разрабатываемого изделия на основе источников разработки.

1.6.2 Предполагаемый годовой выпуск до 25 тыс. в год.

1.7 Порядок контроля и приемки

1.7.1 Для приемки работы на этапе проведения испытаний необходимо предоставить три образца блока интерфейсных адаптеров.

1.7.2 Испытания должны проводиться по программе и методике испытаний.

1.7.3 Для приемки предоставляются следующие документы:

¾ техническое задание;

¾ комплект конструкторской документации;

¾ ведомость покупных изделий;

¾ программа и методика испытаний;

¾ эксплуатационные документы;

¾ программа метрологической аттестации;

¾ методики проверки.

1.7.4 Приемочные испытания проводят разработчик, приемосдатчик, изготовитель.

1.7.5 В случае несоответствия основных параметров блока интерфейсных адаптеров, его отправляют в ремонт. После ремонта проводят проверку и настройку блока интерфейсных адаптеров.

1.7.6 Аттестацию опытного образца проводит разработчик с участием заказчика.

2 ЛИТЕРАТУРНО - ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

2.1 Патентный поиск

В данном разделе проводится патентный поиск на разрабатываемую конструкцию блока интерфейсных адаптеров глубиной 7 лет, начиная с 1997 года по странам СНГ и зарубежным странам, которые являются ведущими в области радиоэлектронной промышленности.

Автором [1] предлагается сетевой контроллер, содержащий линейный узел, преобразователь кода, входной регистр, узел проверки информации по паритету, выходной регистр, мультиплексор условий приема-передачи, блок микропрограммного управления приема-передачи, блок постоянной памяти микропрограмм приема-передачи, конвейерный регистр приема-передачи, тактовый генератор.

Рассматриваемое устройство отличается тем, что с целью повышения скорости передачи информации и расширения протокольных функций контроллера, в него введены регистр приема, регистр передачи, мультиплексор условий обработки, блок микропрограммного управления обработки, блок постоянной памяти микропрограмм обработки, конвейерный регистр обработки, блок постоянной памяти уставок, процессор, регистр адреса, блок буферной памяти приема-передачи.

В работе [2] рассматривается устройство передачи и приема информации, содержащее приемник и передатчик, к управляющему входу которого подключен первый выход блока управления, блок выделения синхроимпульсов и дешифратор адреса получателя, входы которых объединены и подключены к выходу приемника, а также блок памяти и блок буферной памяти.

Устройство отличается тем, что с целью повышения пропускной способности путем обеспечения приема и передачи информации в режимах коммутации каналов сообщений и пакетов, дешифратор начала канального интервала, дешифратор сигналов типа коммутации, последовательно соединенные счетчик, первый и второй регистры сдвига, элемент ИЛИ, счетчик канальных интервалов, регистр состояния источника и мультиплексор, регистр адреса источника подключены к выходу приемника, другой выход которого подключен к первому информационному входу передатчика.

В патенте [3] рассматривается устройство преобразования и коммутации сигналов. Предлагаемое устройство содержит группу каналов, каждый из которых содержит группу входных преобразователей кода, информационные входы которых являются входами устройства для подключения к входящим линиям связи, группу блоков фиксации времени, блок памяти адресов, информационные входы которого соединены с входом управления устройства, блок обслуживания трактов.

Отличительной особенностью является то, что с целью упрощения устройства, в него введены блок служебных сигналов, блок выдачи сигналов, регистр, блок преобразования сигналов, блок коммутации и счетчик записи.

Автором [4] рассматривается устройство для опроса информационных датчиков, содержащее генератор тактовых импульсов, n узлов опроса, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок учета времени обработки информации, триггер, первый и второй элементы И, коммутационный элемент, ждущий мультивибратор.

Предлагаемое устройство отличается тем, что с целью увеличения числа опрашиваемых датчиков при сохранении достоверности передачи информации, введены последовательно соединенные второй триггер, первый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, и элемент И, выход которого соединен со вторым входом первого ключа.

Устройство коммутации асинхронных разноскоростных дискретных сигналов, рассматриваемое в работе [5], содержит N регистров исходящих линий, первый выход каждого из которых через соответствующий из N блоков сравнения соединен с первым входом соответствующего из N триггеров, второй вход каждого из N блоков сравнения соединен с выходом соответствующего из N счетчиков, а также блок памяти адресов.

Отличительной особенностью устройства коммутации является то, что с целью исключения потерь информации при коммутации, введены блок памяти информации, блок записи, блок чтения, блок управления коэффициентом деления, блок синхронизации и блок блокировки.

В работе [6] предлагается система управления передачей данных. В системе циклический доступ к контрольным и управляющим терминалам, соединенным с главной панелью управления через линию связи и обладающими отдельными специфическими каналами, производится посредством сигнала передачи F, состоящего из стартового сигнала S, контрольного сигнала C, сигнала L управления и интервала T контрольного сигнала.

Система отличается тем, что к каждому терминалу подключены соответствующие переключатели. В случае изменения хотя бы одного из выходных сигналов переключателей формируются контрольные данные, после чего эти денные временно запоминаются. При совпадении посланного от панели сигнала С с местным каналом терминал посылает запомненные контрольные данные на панель.

В патенте [7] рассматривается связная коммутационная сеть для сигналов изображения и данных, содержащая блок коммутации, в который входят синхронный и асинхронный узлы. Предусматривается подключение к этим узлам (через линии пакетной связи непосредственно) абонентов с синхронными и асинхронными блоками.

Отличительной особенностью является то, что у абонентов исходящие пакеты снабжаются маркировочным сигналом в соответствии с их происхождением от оконечных блоков с прерывным цифровым возникновением связи. На входе коммутационного блока имеются блок изменения направления и реагирующий на упомянутый маркировочный сигнал детектор, с помощью которого пакеты направляются к синхронной или асинхронной частям коммутационного блока.

В системе передачи данных, предлагаемой автором [8], центральный процессор 1 соединен с блоком управления передачей 2, в который поступают выходные сигналы с таймера 4 и который соединен каналом передачи данных 10 с множеством терминалов 9, соединенных с таймерами 5 и аппаратурой 6. В блоке 2 имеется второй блок памяти, запоминающий все содержимое первого блока памяти. Временные сигналы, данные управления передаются битсерийно в постоянные интервалы времени между блоком 2 и терминалами 9.

Структурная схема системы передачи данных приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы передачи данных

Автором [9] предлагается устройство управления доступом к общему каналу связи. Изобретение относится к передаче дискретной информации и может найти применение в системах связи и вычислительных системах с общим каналом связи, а также в системах телеметрии, телеуправления и телесигнализации. Целью изобретения является повышение пропускной способности канала связи. Поставленная цель достигается путем введения мультиплексора, блока ключей, четвертого элемента ИЛИ, пятого элемента ИЛИ, распределителя импульсов, второго инвертора, четвертого элемента И, пятого элемента И и абонентских каналов. Если на выходе терминала нет сигнала, импульсы продолжают опрос очередного терминала. Если на выходе следующего терминала имеется сигнал, этот сигнал преобразуется без задержки и передается в линию связи.

В работе [10] рассматривается система контроля и управления. Система содержит центральное устройство и один или несколько терминалов, подключенных к центральному устройству через общую линию передачи таким образом, что устройство может получить доступ к терминалам путем адресного опроса. Каждый терминал имеет устройство для установки адреса, содержащего определенное число битов. Центральное устройство может передавать адресные данные на терминалы. Количество битов адресных данных может изменяться в определенных пределах, не превышающих числа битов определенного адреса. Каждый терминал имеет схему, сравнивающую адресные данные с частью определенного адреса, имеющей то же число битов, что и адресные данные, переданные от центрального устройства. При совпадении этих данных устанавливается связь с данным терминалом.

В патенте [11] рассматривается система управления устройством телеконтроля. При включении питания периферийного терминала системы телеконтроля функциональный режим терминала устанавливается в соответствии с данными, считанными с запоминающего устройства.

При приеме светового установочного сигнала от центрального контроллера установочный код, содержащийся в этом сигнале, проверяется на соответствие коду, записанному в ЗУ, далее они считываются из этого ЗУ и передаются по каналу к центральному контроллеру, где отображаются на дисплее, что позволяет пользователю осуществлять их контроль.

Автором [12] предлагается система телеуправления. Для телеуправления (ТУ) нагрузками местных контроллеров 2₁ , 2₂ ,... с центрального пульта 1 достаточна подача инструкции ТУ от пульта 1 на центральный интерфейс 5 по командной шине 4. В этом случае, основываясь на указанной инструкции, интерфейс 5 передает заранее определенные информационные посылки к терминальным интерфейсам 3, подключенным к общей шине данных 6. Поскольку вся обработка данных при информационном обмене выполняется центральным интерфейсом 6, а от пульта 1 требуется только подача инструкции ТУ, объем обрабатываемой информации на центральном пульте существенно сокращается.

Структурная схема системы телеуправления представлена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Структурная схема системы телеуправления

Разрабатываемый блок интерфейсных адаптеров отличается тем, что с целью повышения скорости доступа к передаваемой информации последовательный опрос заменен одновременным опросом сразу всех внешних устройств. Это приводит к некоторому увеличению потребляемой мощности, однако получаемый выигрыш в скорости получения информации позволяет пренебречь этим недостатком. В блоке также предусмотрена возможность подключения дополнительных интерфейсных адаптеров без ухудшения основных характеристик.

2.2 Литературный обзор

Разрабатываемый блок интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения предназначен для обеспечения взаимосвязи между пультом оператора и внешними устройствами системы технического зрения. К внешним устройствам системы технического зрения относятся РЛС, визир внешнего обзора, система реального времени и т.д.

Конкретно, в блоке интерфейсных адаптеров разрабатывается адаптер АРЛС. Одна из основных задач, выполняемых современной РЛС, состоит в обнаружении цели и вычислении параметров ее траектории. Таким образом, РЛС - это инструмент, который позволяет во время полета цели в зоне действия станции определить координатные и сигнальные характеристики цели.

В зависимости от типа РЛС координатными характеристиками могут быть самые различные параметры: прямоугольные либо сферические координаты, радиальная скорость, угловые составляющие скорости и т.д. Параметры траектории являются выходными данными, и точность их определения - одна из основных характеристик РЛС.

Дополнительные трудности оценки параметров траектории возникают при входе космических и баллистических объектов в плотные слои атмосферы. При этом происходит их торможение, скорость которого зависит от баллистического коэффициента.

Развитие воздушно-космических средств различного назначения ставит перед РЛС новые специфические задачи, выходящие за рамки обнаруженеия объектов и определения их местоположения в пространстве. К таким задачам, для решения которых требуется информация о сигнальных характеристиках, следует отнести, например, определение типа летательного объекта, селекцию баллистических целей, опознавание космических объектов. Важными также являются задачи исследования физических процессов, протекающих при движении баллистических и космических объектов, и обеспечения их испытаний.

В основе обнаружения и распознования целей по сигнальным характеристикам лежит явление вторичного излучения, т.е. рассеяние части падающей энергии из-за наличия резкой границы изменения проводимости, диэлектрической постоянной или магнитной проницаемости среды.

В настоящее время за рубежом большое значение отводится радиопротиводействию станциям, осуществляемому с помощью искусственых помех. К искусственным относятся все помехи, создаваемые преднамеренно для нарушения нормальной работы РЛС.

Для автоматизации работы РЛС применяют ЭВМ. Она решает все основные задачи по управлению станцией: управляет лучом РЛС, осуществляет обработку радиолокационной информации, селекцию и иденцификацию целей, выдает в требуемом в виде информацию потребителю и др.

Таким образом, в современных сложных РЛС применяют полностью автоматизированную систему обработки радиолокационной информации с помощью ЭВМ. При этом как автоматизированное обнаружение и оценка координат целей, так и обнаружение траекторий и слежение за траекториями целей с помощью ЭВМ является неотъемлемой частью процесса функционирования РЛС.

В последнее время в связи с созданием быстродействующих ЭВМ в радиолокации предпочтение отдается цифровым методам обработки сигналов, т.е. цифровой фильтрации и спектральному анализу. При этом обработка сигналов производится в реальном масштабе времени на ЭВМ и, следовательно, исключаются все сложности, связанные с точностью изготовления и стабильностью аналоговых фильтров.

3 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Анализ климатических факторов

Изделия должны сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническими заданиями, стандартами или техническими условиями в течение сроков службы и сроков сохраняемости, указанных в техническом задании после или в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены ГОСТ 15150-69.

Изделия предназначают для эксплуатации в одном или нескольких макроклиматических районах и изготавливают в различных климатических исполнениях.

Разрабатываемое устройство предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатами.

К макроклиматическому району с умеренным климатом относятся районы, где средняя из абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже + 40 °С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше - 45 °С.

К макроклиматическому району с холодным климатом относятся районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха ниже - 45 °С.

Исходя из вышесказанного, блок интерфейсных адаптеров будет изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ.

Следует отметить, что изделия в исполнении УХЛ могут эксплуатироваться в теплом влажном, жарком сухом и очень жарком сухом климатических районах по ГОСТ 16350-80, в которых средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха выше 40 °С, и сочетание температуры, равной или выше О °С, и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается более 1 часов в сутки за непрерывный период более двух месяцев в году.

Изделия в различных климатических исполнениях в зависимости от места размещения при эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4300 м изготавливают по категориям размещения изделий.

Разрабатываемый блок интерфейсных адаптеров предназначен для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги) , а конкретнее - в лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях. Следовательно, блок интерфейсных адаптеров относится к категории исполнения 4.2.

Нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации изделий принимают равными следующим значениям:

¾ верхнее рабочее значение температуры окружающего

воздуха при эксплуатации, °С + 35;

¾ нижнее рабочее значение температуры окружающего

воздуха при эксплуатации, °С +10;

¾ верхнее предельное рабочее значение температуры

окружающего воздуха при эксплуатации, °С +40;

¾ нижнее предельное рабочее значение температуры

окружающего воздуха при эксплуатации, °С +1;

¾ величина изменения температуры окружающего воздуха

за 8 ч., °С 40;

¾ верхнее значение относительной влажности при 25 °С, % 80;

¾ среднегодовое значение относительной влажности при 20 °С, %60;

¾ среднегодовое значение абсолютной влажности, гм 10;

¾ верхнее рабочее значение атмосферного

давления, кПа (мм рт. ст.) 106,7 (800);

¾ нижнее рабочее значение атмосферного

давления, кПа (мм рт. ст.) 86,6 (650);

¾ нижнее предельное рабочее значение атмосферного

давления, кПа (мм рт. ст.) 84,0 (630).

Указанное верхнее значение относительной влажности воздуха нормируется также при более низких температурах; при более высоких температурах относительно влажность ниже.

Так как нормированное верхнее значение относительной влажности 80%, то конденсация влаги не наблюдается.

Содержание в атмосфере на открытом воздухе коррозионно-активных агентов:

¾ сернистый газ, мг/м, не более 0,025;

¾ хлориды, мг/м, не более 0,00035.

Содержание коррозионно-активных агентов в атмосфере помещений категории 4 в 2-5 раз меньше указанного и устанавливается на основании измерений, но так как данные измерений отсутствуют, то содержание коррозионно-активных агентов принимаем равным 30 % указанного.

За нормальные значения факторов внешней среды при испытаниях изделия (нормальные климатические условия испытаний) принимаются следующие:

¾ температура, °С +25±10;

¾ относительная влажность воздуха, % 45...80;

¾ атмосферное давление, мм рт. ст. 630...800.

Так как блок интерфейсных адаптеров предназначен для работы в нормальных условиях, в качестве номинальных значений климатических факторов указанные выше принимают нормальные значения климатических факторов указанные выше.

За эффективную температуру окружающей среды (при тепловых расчетах) принимается максимальное значение температуры.

За эффективные значения сочетания влажности и температуры при расчетах параметров изделия, изменение которых вызывается сравнительно длительными процессами, принимаются среднемесячные значения сочетаний влажности и температуры в наиболее теплый и влажный период (с учетом продолжительности их воздействия ).

За эффективные значения концентрации агрессивной среды принимают среднее логарифмическое значение содержания коррозионно-активных агентов, соответствующего данному типу атмосферы.

За эффективное значение давления воздуха принимается среднее значение давления.

Группа условий эксплуатации по коррозионной активности для металлов и сплавов без покрытий, а также с неметаллическими и неметаллическими неорганическими покрытиями - 1.

Группа условий эксплуатации в зависимости от климатического исполнения к категории размещения изделия (УХЛ 4.2) - 1.

Условия хранения изделий определяются местом их размещения, макроклиматическим районом и типом атмосферы и характеризуется совокупностью климатических факторов, воздействующих при хранении на упакованные или законсервированные изделия. Согласно ГОСТ 15150-69, для проектируемого изделия удовлетворительными являются условия хранения в отапливаемых и вентилируемых складах, хранилищах с кондиционированием воздуха, расположенных в любых макроклиматических районах.

Обозначения такого хранилища: основное - 1, буквенное - Л, текстовое “отапливаемое хранилище”. Климатические факторы, характерные для данных условий хранения:

¾ температура воздуха, °С +5...+40;

¾ максимальное значение относительной влажности

воздуха при +5 °С, % 80;

¾ среднегодовое значение относительной влажности

воздуха при 20 °С, % 60;

¾ пылевое загрязнение незначительно;

¾ действие солнечного излучения, дождя, плесневых грибков отсутствует.

Условия транспортирования данного изделия являются такими же, как и условия хранения 5. Транспортировка осуществляется в закрытых транспортных средствах, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе.

Климатические факторы, характерные для данных условий транспортировки:

¾ температура воздуха, °С -50...+50;

¾ максимальное значение относительной влажности

воздуха при -50 °С, % 100;

¾ среднегодовое значение влажности воздуха при 20 °С, % 60;

¾ пылевое загрязнение незначительно.

3.2 Анализ дестабилизирующих факторов

По ГОСТ 11478 - 88 аппаратуру в зависимости от условий эксплуатации подразделяют на 4 группы. Разрабатываемое устройство относится к группе 1 (условия эксплуатации - в лабораторных, капитальных жилых и других подобных помещениях).

На аппаратуру этой группы действуют следующие дестабилизирующие факторы:

¾ синусоидальные вибрации;

¾ различные механические воздействия при транспортировке;

¾ пониженная и повышенная температура среды;

¾ повышенная влажность воздуха;

¾ воздействие пыли.

Для того чтобы выяснить, как поведет себя аппаратура при воздействии этих факторов, а также для проверки соответствия ее установленным в техническом задании требованиям, проводят испытания аппаратуры на воздействие внешних механических и климатических факторов.

Испытания, проводимые для данной группы аппаратуры и значения механических и климатических факторов, которые она должна выдерживать, указаны в ГОСТ 11478-88.

При испытании на воздействие пониженной температуры среды и повышенной влажности в ТЗ на аппаратуру допускается по согласованию с заказчиком устанавливать значения рабочей пониженной температуры и относительной влажности, отличное от указанных в ГОСТ 11478-88.

При испытании на воздействие пониженной температуры среды и повышенной влажности в ТЗ на аппаратуру допускается по согласованию с заказчиком устанавливать значения рабочей пониженной температуры и относительной влажности, отличное от указанных в ГОСТ 11478-88.

Испытания рекомендуется проводить на одних и тех же образцах аппаратуры в следующей последовательности:

¾ механические испытания;

¾ испытание на воздействие повышенной температуры среды;

¾ испытание на воздействие повышенной влажности;

¾ испытание на воздействие пониженной температуры среды.

Испытания на воздействие пыли и на прочность при падении рекомендуется проводить на образцах аппаратуры, которые не подвергались испытаниям других видов.

Испытание включает следующий ряд операций, проводимых последовательно:

¾ начальная стабилизация (если требуется);

¾ начальные проверки и начальные измерения (если требуется);

¾ выдержка;

¾ конечная стабилизация (если требуется);

¾ заключительные проверки и измерения (если требуется).

До и после испытания значения параметров и характеристик должны соответствовать требованиям для нормальных климатических условий, установленных в стандартах на аппаратуру.

Аппаратуру считают выдержавшей испытание, если:

¾ не нарушена сохранность внешнего вида;

¾ после испытания характеристики и параметры аппаратуры соответствуют требованиям, установленным в стандартах или ТУ на аппаратуру и в ПИ для испытаний данного вида.

4 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ, УНИФИЦИРОВАННЫХ УЗЛОВ, УСТАНОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ

4.1 Выбор и обоснование элементной базы

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом требований изложенных в техническом задании. Эксплуатационная надежность элементной базы во многом определяется правильным выбором типа элементов при проектировании (блока интерфейсных адаптеров) и использовании в режимах, не превышающие допустимые. Следует отметить, что ниже рассматриваются допустимые режимы работы и налагаемые при этом ограничения в зависимости от воздействующих факторов лишь с точки зрения устойчивой работы самих элементов, не касаясь схемотехники и влияния параметров описываемых элементов на другие элементы.

Влияние Э.Д.С. шумов, коэффициентов нелинейности, паразитных емкости и индуктивности и др., должны учитываться дополнительно исходя из конкретных условий применения.

Для правильного типа элементов необходимо на основе требований к установке в части климатических, механических и др. воздействий проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

- эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

- значения параметров и их допустимые изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

- допустимые режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и т.д.);

- показатели надежности, долговечности и сохраняемости;

- конструкцию выбираемого элемента, способ монтажа, габаритные размеры и массу.

Ниже приведено подробное описание выбранных (с учетом ранее сказанного) элементов и их типов.

4.1.1 Выбор конденсаторов

Конденсатор К10-17А

Конденсаторы типа К10-17А с неорганическим диэлектриком, низковольтовые. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Конструктивно конденсаторы выполнены изолированными. Выпускаются двух типов.

Допустимые воздействующие факторы при эксплуатации :

Вибрационные нагрузки:

* диапазон частот, Гц 1...3000;

* ускорение, м/с, (g), не более 147(15).

Многократные ударные нагрузки:

* ускорение, м/с, (g), не более 1471(150);

* длительность удара, мс 1...3.

Одиночные ударные нагрузки:

* ускорение, м/с, (g), не более 4905(500);

- длительность удара, мс 1...2.

Линейные нагрузки с ускорением, м/с, (g), не более 490(50).

Акустические шумы:

* диапазон частот, Гц 50...10000;

* уровень звукового давления, дБ, не более 150.

Температура окружающей среды, °С

- верхнее значение +85;

- нижнее значение -60.

Относительная влажность воздуха, % , не более,

при температуре +25°С (исп. УХЛ) 98.

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт. ст.) 0,00013 (10^-6 ).

Основные технические данные

Тангенс угла потерь: К10-17А Н90 0,035;

К10-17А М1500, М47 0,0015.

Сопротивление изоляции, МОм: К10-17А Н90 1000;

К10-17А М1500, М47 10000.

Постоянная времени, МОм•мкФ: К10-17А Н90 75;

К10-17А М1500, М47 250.

Срок сохраняемости, лет 12.

Допускаемая реактивная мощность, ВАР: К10-17А Н90 0,06...2;

К10-17А М1500, М47 1...40.

Конденсатор К53-4А

Конденсатор типа К53-4А ниобиевые оксидно-полупроводниковые предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока. Конструктивно выполнены в цилиндрическом герметизированном корпусе.

Допустимые воздействующие факторы при эксплуатации :

Вибрационные нагрузки:

* диапазон частот, Гц 5...5000;

* ускорение, м/с² , (g), не более 40(7,5).

Многократные ударные нагрузки:

* ускорение, м/с² , (g), не более 1500;

* длительность удара, мс 1,3.

Одиночные ударные нагрузки:

* ускорение, м/с² , (g), не более 4905(500);

- длительность удара, мс 1...2.

Линейные нагрузки с ускорением, м/с² , (g), не более 500(50).

Акустические шумы:

* диапазон частот, Гц 50...10000;

* уровень звукового давления, дБ, не более 150.

Температура окружающей среды,°С

- верхнее значение +85;

- нижнее значение -60.

Относительная влажность воздуха, % , не более,

при температуре +25°С 98.

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт. ст.) 0,00013 (10^-6 ).

Основные технические данные

Тангенс угла потерь: 15...20.

Ток утечки, мкА: 5...50.

Срок сохраняемости, лет 12.

4.1.2 Выбор резисторов

Резистор С2-23

Резисторы типа С2-23 с металлоэлектрическим проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относятся к неизолированным резисторам.

Уровень собственных шумов, мкВ/В, не более 1,5.

Условия эксплуатации резисторов :

Температура окружающей среды,°С

- верхнее значение +75;

- нижнее значение -60.

Относительная влажность окружающего воздуха при температуре

40 °С, % 98.

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт.ст.) 0,00013 (10^-6 ).

Вибрация:

- ускорение, м/c² , (g) 147(15);

- диапазон частот, Гц 5...600.

Удары:

- ускорение, (g), не более 150;

- количество 4000.

Линейные нагрузки:

- с ускорением, (g), не более 200;

Минимальная наработка на отказ, ч 40000.

Резистор СП3-19А-0,5

Резисторы типа СП3-19А-0,5 подстроечные одинарные однооборотные с круговым перемещением подвижной системы. Предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Изготавливаются в цилиндрическом корпусе для печатного монтажа.

Номинальная мощность, Вт 0,5.

ТКС, 1/°С ±250•10^-6 _.

Минимальное сопротивление, Ом, не более 1.

Уровень собственных шумов, мкВ/В, не более 5.

Предельные эксплуатационные данные :

Температура окружающей среды, °С

- верхнее значение +75;

- нижнее значение -60.

Относительная влажность воздуха при температуре +35°С, % 98.

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт.ст.) 0.00013 (10^-6 ).

Предельное рабочее напряжение, В 150.

Износоустойчивость, циклов 500.

Угол поворота подвижной системы, град 265.

Момент статического трения подвижной системы, мН•Н 2,5...14,7.

Минимальная наработка при номинальной электрической на-

грузке при температуре +55°С, ч 20000.

Срок сохраняемости, лет 12.

4.1.3 Выбор микросхем

Микросхемы серии К1533

Микросхемы серии К1533 - ТТЛШ логика. Работают при напряжении питания U_пит =5В±10%. Имеют улучшенные электрические параметры: значительно снижен входной ток низкого уровня I⁰ _вх , увеличено пороговое входное напряжение до 1,5В и оно зафиксировано.

Электрические параметры каждого типа микросхем К1533 рассмотрим в отдельности. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 4.1.

Микросхема К1533 АП5

Микросхема К1533 АП5 является буферным элементом. Она содержит буферные усилители без инверсии (два канала по четыре усилителя). Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 АП6

Микросхема К1533 АП6 является буферным усилителем формирователем, содержит восемь двунаправленных шинных усилителей с тремя состояниями выходов. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ЛА2

Микросхема К1533 ЛА3

Микросхема К1533 ЛА2, микросхема К1533 ЛА3 выполняют логическую функцию mИ-НЕ (m-число входов). Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ЛИ1

Микросхема К1533 ЛИ1 выполняет логическую функцию mИ. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ЛЕ1

Микросхема К1533 ЛЕ1 выполняет логическую функцию mИЛИ-НЕ. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ЛЛ1

Микросхема К1533 ЛЛ1 выполняет логическую функцию mИЛИ. Содержит четыре двухвходовых элемента ИЛИ. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ЛН1

Микросхема К1533 ЛН1- инвертор, выполняет логическую операцию НЕ. Содержит шесть инверторов.

Микросхема К1533 ЛП5

Микросхема К1533 ЛП5 содержит двухвходовые элементы «исключающее ИЛИ». Применяется как сумматор по модулю 2 или используется для задержки импульсов. Такой элемент включают как фазовый компаратор. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ТЛ2

Микросхема К1533 ТЛ2 содержит шесть инвертирующих усилителей с порогом Шмитта. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ТМ2

Микросхема К1533 ТМ2 содержит два независимых комбинированных D-триггера, имеющих общую цепь питания. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ТМ8

Микросхема К1533 ТМ8 содержит четыре D-триггера. Имеет общие входы синхронного сброса R и входы синхронизации С. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 АГ3

Микросхема К1533 АГ3 содержит два ждущих мультивибратора с возможностью перезапуска. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ИЕ7

Микросхема К1533 ИЕ7 содержит четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик с предварительной записью. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ИР33

Микросхема К1533 ИР33 представляет собой восьмиразрядный буферный регистр. Построен на D-триггерах, имеет восемь входов данных D0...D7 и восемь выходов Q0...Q7. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ИР37

Микросхема К1533 ИР37 представляет собой восьмиразрядный буферный регистр с тремя состояниями на выходе (Z-состояние) и импульсным управлением (вход С прямой динамический, переключение положительным перепадом тактового импульса). Построен на D- триггерах и имеет восемь входов данных D0...D7 и восемь выходов данных Q0...Q7. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ИД7

Микросхема К1533 ИД7 представляет собой двоично-десятичный дешифратор-демультиплексор, преобразующий трехразрядный код А0...А2 в напряжение низкого уровня, появляющееся на одном из восьми выходов 0...7. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема К1533 ИП7

Микросхема К1533 ИП7 содержит четыре двунаправленных шинных усилителя без инверсии. Усилители имеют входные пороги, аналогичные триггеру Шмитта. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема КР590 КН2

Микросхема КР590 КН2 представляет собой восьмиканальный коммутатор с дешифратором на МОП-транзисторах для коммутации напряжений от -5 до +5В. Напряжение источника питания +5В±10%. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 4.1. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Микросхема КР1401 УД2

Микросхема КР1401 УД2 представляет собой операционный усилитель, работающий при напряжении питания +5В±10%. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 4.1. Электрические характеристики приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.1 - Эксплуатационные характеристики микросхем

Таблица 4.2 - Электрические характеристики микросхем

4.1.4 Выбор диодов и стабилитронов

Диод КД522Б

Полупроводниковый диод КД522Б предназначен для работы в аппаратуре широкого применения. Выпускается в металлостекляном корпусе с гибкими выводами.

Электрические характеристики:

Прямое напряжение на переходе при температуре окружающей

среды от +25 до +125 °С и Iпр=50 мА, В 1.

Максимальный обратный ток при :

- температуре корпуса от -60 до +25°С, мкА 1;

- температуре корпуса +125°С, мкА 100.

Максимальное обратное напряжение, В 30.

Ток прямой средний при температуре окружающей среды

от - 60 до +50 °С, мА 50.

Ток импульсный при длительности импульса не более 10 мкс, мА 500.

Эксплуатационные характеристики:

Температура окружающей среды, °С:

- верхнее значение +125;

- нижнее значение -60.

Относительная влажность воздуха при температуре +40°С, % 98.

Атмосферное давление, мм рт. ст. 203...2304.

Вибрация:

- диапазон частот, Гц 10...600;

- ускорение, g 10;

Многократные удары с ускорением, g 70.

Линейные нагрузки с ускорением, g 25.

Стабилитрон Д818Д

Стабилитрон типа Д818Д кремниевый диффузионно-сплавной. Предназначен для стабилизации напряжения в аппаратуре широкого применения. Выпускается в металлостеклянном корпусе с жесткими выводами. Тип стабилитрона указывается на корпусе. Корпус является отрицательным электродом.

Электрические параметры:

Напряжение стабилизации номинальное при 298К, В:

- при I_ст.ном =50мА 100.

Разброс напряжения стабилизации при 298К, I_ст. =I_ст.ном , В 90...110.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации

при температуре от 213 до 398К, не более, 0,14.

Временная нестабильность напряжения стабилизации, не более, %6.

Прямое постоянное напряжение при 298К, не более, В 1,5.

Постоянное обратное напряжение при 298К, не более, В 70.

Дифференциальное сопротивление при 298К, не более, Ом 50.

Предельные эксплуатационные данные:

Минимальный ток стабилизации, мА 5.

Максимальный ток стабилизации, мА 90.

Прямой постоянный ток, А 1.

Перегрузка по току стабилизации в течении 1 секунды

при Т_к £ 348К, мА 150.

Рассеиваемая мощность при Т_к £ 348К, Вт 5.

Температура окружающей среды, К:

- верхнее значение 403;

- нижнее значение 213.

Температура перехода, К 413.

4.1.5 Выбор транзисторов

Транзисторы КТ660А .

Транзисторы типа КТ660А кремниевые эпитаксиально-планарные структуры п-р-п переключательные. Предназначены для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний. Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Электрические параметры:.

Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ при

Uкб=10В, Iэ=2мА 200...450.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

при Iк=500мА,Iб=50мА, не более, В 0,5.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

при Iк=10мА,Iб=1мА, не более,В 0,035.

Напряжение насыщения база-эмиттер

при Iк=500мА,Iб=50мА, не более, В 1,2.

Емкость коллекторного перехода при Uкб=10В, не более, пФ 10.

Обратный ток коллектора при Uкб=Uкб_мах , не более, мкА 1.

Обратный ток эмиттера при Uбэ=4В, не более, мкА 0,5.

Предельные эксплуатационные характеристики :

Постоянное напряжение коллектор-база, В 30.

Постоянное напряжение база-эмиттер, В 5.

Постоянный ток коллектора, мА 800.

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт 0,5.

Температура р-п перехода, °С 150.

Температура окружающей среды, °С

- верхнее значение +85;

- нижнее значение -45.

4.1.6 Моточные изделия

Дроссель ДМ-0,6

Дроссель ДМ-0,1

Дроссели предназначены для подавления помех питающей сети в диапазоне от 30 до 200 кГц.

Максимальный ток через дроссель, А 1,5.

Максимальное напряжение между обмотками, В 600.

Номинальная индкутивность обмоток, мГн 35.

Габаритные размеры, мм: 30 х 30 х 20.

Масса, г не более 40.

Дроссель покрыт защитным лаком.

4.1.7 Прочие изделия

Резонатор кварцевый РК351-11АТ-10МГц.

Резонатор кварцевый преднозначен для стабилизации частоты электромагнитных колебаний генераторов радиоэлектронных устройств.

Выполнен в металлическом герметичном корпусе с гибкими выводами.

Номинальная рабочая частота, кГц 10000.

Отклонение рабочей частоты, % ±0,01.

Температурный коэффициент частоты, %/°С 0.0001.

Паразитная емкость кристаллодержателя, не более, пФ 3.

Диапазон рабочих температур,°С

- верхнее значение +130;

- нижнее значение -60.

Вибрации:

- диапазон частот, Гц 1...150;

- ускорение, не более, g 5.

Линейные нагрузки с ускорением не более, g 20.

Многократные удары с ускорением не более, g 10.

Габаритные размеры, мм: 11 х 8 х 4.

Масса, г 2.

Соединитель СНП 34С-113/132х9,4р-22в

Соединитель предназначен для работы в РЭС в диапазоне частот до 3 МГц. Данный соединитель является отрезным и предназначен для печатного монтажа.

Электрические характеристики и параметры надежности:

Максимальное рабочее напряжение, В

- при шаге выводов 2,5 мм 700.

Рабочий ток на контакт, А 0,5.

Максимальный ток на один контакт соединителя при температуре

среды не выше 60 °С, А 2.

Переходное сопротивление контакта, Ом 0,01.

Емкость между соседними контактами, не выше, пФ 5.

Сопротивление изоляции в нормальных условиях, ГОм:

- при шаге 2,5 мм 5.

Средняя наработка на отказ, ч 5000.

Эксплуатационные характеристики:

Температура окружающей среды, °С:

- верхнее значение +75;

- нижнее значение -45.

Относительная влажность воздуха при температуре 35 °С, % 98.

Атмосферное давление, Па (мм рт. ст.) 53300 (400).

Ускорение:

- при вибрации в диапазоне 1...80 Гц, g 50;

- при многократных ударах, g 150.

4.2 Выбор унифицированных узлов и установочных изделий

Выбор унифицированных узлов и установочных изделий проводим на основании одного из требований технического задания к уровню унификации и стандартизации. На основании вышесказанного основное предпочтение отдается стандартизированным изделиям крепежа - практически все крепежные изделия стандартны.

Блок питания является заимствованной - покупной сборочной единицей, не нуждающейся в какой-либо доработке.

4.3 Выбор материалов

Выбор материалов разрабатываемой конструкции проводим согласно требований, изложенных в техническом задании. Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

- иметь малую стоимость;

- легко обрабатываться и быть легкими;

- обладать достаточными прочностью и жесткостью;

- внешний вид материалов корпуса, лицевой и задней панелей должны отвечать требованиям технической эстетики;

- сохранять физико-химические свойства в процессе эксплуатации.

Применение унифицированных материалов в конструкции, ограничение номенклатуры применяемых деталей позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими процессами также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделий в промышленности.

При изготовлении элементов несущих конструкций широко применяются

алюминиевые сплавы, в частности сплав алюминия с магнием АМг. Магний сильно повышает прочность сплавов. До 12-14% магния пластичность изменяется мало. Сплавы АМг добавочно легируют марганцем, который упрочняет сплав. Данный материал легко обрабатывается давлением (штамповка, гибка и т.д.), хорошо сваривается и обладает высокой коррозионной стойкостью. Исходя из выше приведенного для изготовления корпуса выбран следующий материал:

- Лист АМг6БМ ГОСТ 21631-76 - сплав АМг (состав: магний 5,8-6,8%; марганец 0,5-0,8%; бериллий 0,0002-0,005%; титан 0,02-0,1%) с технологическим плакированием, отожженный, обычной отделки, нормальной точности по ГОСТ 21631-76.

Материал для изготовления печатной платы должен иметь следующие показатели (в заданных условиях эксплуатации РЭС): большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, обладать химической стойкостью к действию химических растворов, используемых в техпроцессах изготовления платы. Для изготовления плат общего применения в РЭС наиболее широко используется стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный на основе ткани из стеклянного волокна, пропитанной термореактивным связующим на основе эпоксидной смолы, и облицованный с одной стороны медной электролитической оксидированной или гальваностойкой фольгой (изготавливают листами толщиной: до 1 мм - не менее 400х600мм; от 1,5 и более - не менее 600х700мм). На основании вышеприведенного, для изготовления печатной платы может использоваться следующий материал:

- СФ 2-35Г-2,0 ГОСТ 10316-78 - стеклотекстолит фольгированный гальваностойкий предназначен для изготовления печатных плат с повышенными диэлектрическими свойствами.

Поверхностное электрическое сопротивление после кондиционирования в условиях 96ч/ 40°C/ 93%, Ом не менее 10¹⁰ .

5 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ, СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

5.1 Описание схемы электрической структурной

Устройство сопряжения с АРЛС является составной частью блока интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения и поэтому для понимания приводится и описание структурной схемы блока интерфейсных адаптеров. Структурно блок расчленяется на следующие функционально законченные системы:

- устройство сопряжения с АРЛС;

- преобразователь аналого-цифровой;

- устройство сопряжения с пультом оператора слежения;

- устройство сопряжения с пультом оператора сопровождения;

- устройство сопряжения с пультом оператора целеуказаний;

- адаптер ЭВМ;

- устройство сопряжения с визиром внешнего обзора;

- модуль электропитания.

Устройство сопряжения с АРЛС обеспечивает передачу информации с АРЛС через адаптер ЭВМ на центральный вычислитель САУ и через устройства сопряжения с пультами операторов на пульты оператора слежения, сопровождения и целеуказаний.

Преобразователь аналого-цифровой обеспечивает преобразование сигнала, принятого с аппаратуры СЕВ, из аналоговой формы в цифровую.

Устройство сопряжения с пультом оператора слежения обеспечивает отображение информации, поступаемой с АРЛС и визира внешнего обзора, на пульте оператора слежения.

Устройство сопряжения с пультом оператора сопровождения обеспечивает отображение информации, поступаемой с АРЛС и визира внешнего обзора, на пульте оператора сопровождения.

Устройство сопряжения с пультом оператора целеуказаний обеспечивает отображение информации, поступаемой с АРЛС и визира внешнего обзора, на пульте оператора целеуказаний.

Адаптер ЭВМ обеспечивает передачу информации, поступаемой с внешних устройств (АРЛС, визир внешнего обзора, аппаратура СЕВ и др.) на центральный вычислитель САУ, а также передачу информации от центрального вычислителя САУ на внешние устройства.

Устройство сопряжения с визиром внешнего обзора обеспечивает передачу информации от визира внешнего обзора через адаптер ЭВМ на центральный вычислитель САУ и через устройства сопряжения с пультами операторов на пульты оператора слежения, сопровождения и целеуказаний.

Модуль электропитания обеспечивает стабильное электропитание всех функциональных частей блока интерфейсных адаптеров.

5.2 Описание схемы электрической принципиальной

В данном разделе приводится описание схемы электрической принципиальной одного из функционально-законченных частей блока интерфейсных адаптеров-устройства сопряжения с АРЛС.

Схема работает следующим образом. Автогенератор, выполненный на D3, вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 1МГц. Чтобы генератор мягко возбуждался и устойчиво работал при внешних воздействиях используется не инвертирующий стабилизированный усилитель с большим коэффициентом усиления. Положительная обратная связь через конденсатор С24 охватывает два элемента, причем один элемент DD3.1 выведен в линейный, усилительный режим с помощью резистора отрицательной обратной связи R1. Элемент DD3.3 применен как буферный чтобы уменьшить влияние нагрузки на частоту автогенератора. Импульсы поступают на инвертор DD3.5, после которого они меняют полярность и следуют на вход синхронизации D-триггера (DD8.1), который переключается в состояние логической единицы по заднему фронту поступающих импульсов. После триггера, импульсы с частотой в два раза меньше исходной поступают на логический элемент И (DD9.1), на второй вход которого подаются импульсы с автогенератора. В результате на выходе DD9.1 имеются импульсы с длительностью равной исходной, но с частотой следования в два раза меньше исходной. Эти импульсы поступают на двоичный счетчик DD12. Состояние счетчика изменяется по фронту тактового импульса. Направление счета идет в сторону увеличения на единицу. Далее 3-х разрядный код с выходов Q0...Q2 счетчика поступает на двоично-десятичные дешифраторы- демультиплексоры DD17, DD18. Они преобразуют напряжение высокого уровня в напряжение низкого уровня.

Информация с АРЛС поступает на разъем XS1.2 и через буферные элементы DD1 и DD2 записывается в регистры DD4...08.10.2011, DD10, DD11, DD15, DD16, DD20, DD21. Запись информации происходит в соответствующий регистр за счет подачи на вывод разрешения входа ОЕ0...ОЕ4 напряжения низкого уровня. Оно формируется из сигнала команды записи, поданной оператором центрального вычислителя, при помощи логических элементов ИЛИ (DD13, DD14). То есть при подаче команд GO_B, TO_B, GO_Е или ТО_Е на соответствующем входе ОЕ0...ОЕ4 появляется напряжение низкого уровня и при наличии информации на входах D0...D7 регистра происходит запись информации. Считывание на пульт оператора происходит следующим образом. Делается запрос IORC и обращение к соответствующему регистру напряжением высокого уровня. На соответствующем выходе DD13, DD14.1 появляется логическая единица, которая поступает на требуемый регистр. Одновременно тактовые импульсы отрицательной полярности поступают с DD18 на инвертирующий элемент DD19. На выходе DD19 получается сигнал высокого уровня, который следует на логические элементы ИЛИ DD23, DD9.3. На второй вход DD23, DD9.3 поступает напряжение высокого уровня ОЕ0...ОЕ4. На соответствующем выходе DD23, DD9.3 получаем логическую единицу (С0...С4), которая подается на необходимый регистр и с выхода регистра считывается информация, которая поступает на разъем XS1.3 и далее на пульт оператора.

Резисторы R4...R18 используются для «подтягивания» уровня сигнала принимаемой информации.

Конденсаторы С1...С23, С26...С28 предназначены для фильтрации напряжения питания.

6 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ, МЕТОДОВ И ПРИНЦИПА КОНСТРУИРОВАНИЯ

6.1 Выбор компоновочной схемы

Основная компоновочная схема изделия определяет многие важнейшие характеристики РЭС: габариты, вес, объем монтажных соединений, способы защиты от полей, температуры, механических воздействий, ремонтопригодность.

Различают три основные компоновочные схемы РЭС [13]:

¾ централизованная;

¾ децентрализованная;

¾ централизованная с автономными пультами управления.

Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками.

При централизованной компоновке все элементы сложной системы располагаются в одном отсеке на специальных этажерочных конструкциях или шкафах, длина и количество межблочных соединений сведены к минимуму, ремонт и демонтаж наиболее удобны, легче выполнить качественные системы охлаждения и амортизации. Такая компоновочная схема требует более тщательной экранировки, вызывает затрудненность компоновки изделия, часто требующей доработки его, обладает относительно меньшей надежностью систем охлаждения, герметизации, виброзащиты [13].

Децентрализованная компоновочная схема обеспечивае относительно большую легкость размещения элементов изделия на обьекте, не требуется тщательная экранировка отдельных блоков, присоответствующих схемных решениях может быть более надежной, сохраняя частичную работоспособность при выходе из строя отдельных элементов изделия. Недостатком является значительная длина межблочных соединений, затруднен полный демонтаж системы, для каждого отдельного блока необходимо предусматривать автономные системы охлаждения, виброзащиты [13].

Наиболее распространен способ централизованной компоновки, при котором все элементы сложной РЭС, кроме входных и управляющих устройств, распологают в одном участке или отсеке блока. Однако внутри этого отсека компоновка выполняется в виде совокупности отдельных блоков и приборов [13]

6.2 Выбор и обоснование метода и принципа конструирования

На основе проведенного разбиения электрической схемы и анализа существующих конструкций выбирается метод конструирования устройства в целом и его частей. Существующие методы конструирования РЭС подразделяются на три взаимосвязанные группы [14]:

- по видам связей между элементами;

- по способу выявления и организации структуры связей между элементами;

- по степени автоматизации конструирования РЭС - зависит от назначения аппаратуры и ее функций, преобладающего вида связей, уровня унификации, автоматизации и т.д.

Рассмотрим кратко сложившиеся методы конструирования РЭС.

Геометрический метод . В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твердого тела [14].

Машиностроительный метод . В основу этого метода конструирования положена структура механических связей между элементами, представляющая собой систему опорных поверхностей. Машиностроительный метод используется для конструирования устройств и элементов РЭА, которые несут большие механические нагрузки и в которых неизбежны вследствие этого большие деформации [14].

Топологический метод . В основу метода положена структура физических связей между ЭРЭ. Топологический метод, в принципе, может применяться для выявления структуры любых связей, однако конкретное его содержание проявляется там, где связности элементов может быть сопоставлен граф [14].

Метод проектирования моноконструкций . Основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭА на основе оригинальной несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами [14].

Базовый (модульный) метод конструирования . В основу метода положен модульный принцип проектирования. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями, схемной конструкторской унификацией структурных уровней (модулей функциональных узлов, блоков). Базовый метод является основным при проектировании современной РЭА, он имеет много преимуществ по сравнению с методом моноконструкций [14]:

- на этапе разработки позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки проведения разработок; упрощает отладку и сопряжение узлов в лаборатории, так как работа любого функционального узла определяется работой известных модулей, резко упрощается конструирование и макетирование; сокращает объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;

- на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства; повышает степень специализации производства;

- при эксплуатации повышает эксплуатационную надежность РЭА, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры.

При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость, стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта. Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным доступом для осмотра, ремонта и замены. Замена детали или сборочной единицы не должна приводить к разборке всей конструкции или ее составных частей. Для устойчивого положения изделия в процессе эксплуатации центр тяжести должен находиться, возможно, ближе к опорной поверхности. При компоновке модулей всех уровней необходимо выделить достаточно пространства для межсоединений.

При проектировании необходимо придерживаться следующих рекомендаций [14]:

* минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра провода с изоляцией;

* провода питания переменного тока следует свивать для уменьшения возможности наводок;

* провода, подводящие к сменным элементам должны иметь некоторый запас по длине, допускающий повторную заделку провода;

* провода не должны касаться острых металлических кромок;

* монтажные провода целесообразно связать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на более простые.

Для разъемного варианта конструкции большое распространение получило использование объединительной печатной платы, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры изделия, упростить сборку.

При компоновке РЭС необходимо решать вопросы электромагнитной совместимости элементов, в частности, защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех.

При защите РЭС от воздействий помех, определяют максимальное значение сигналов помехи на выходах схем, усложняют схему введением фильтров на линиях входа-выхода, устраняют помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров, экранируют входные цепи чувствительных схем, для элементов РЭС разрабатывают кожухи-экраны.

В качестве метода конструирования выбираем базовый (модульный) метод конструирования.

На основании вышеизложенного выбираем для разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров электронный модуль второго уровня ЭМ2 разъемной конструкции. Основой конструкции является каркас, образованный двумя литыми из алюминиевого сплава рамками, соединенными между собой продольными профилированными планками. На верхней и нижней части каркаса установлены маркировочные линейки, на которых по соответствующим адресам закреплены направляющие для плат. Платы вставляются по направляющим в ячейки. Все платы располагаются в правой части блока интерфейсных адаптеров, а слева - для равномерного распределения центра масс - расположен блок питания, который снизу крепится винтами к каркасу, а сзади - к задней панели. На одной из длинных сторон плат крепится фальшпанель, которая при установке платы в конструкцию, прикручивается сверху и снизу винтами к каркасу. Такая конструкция позволяет повысить ремонтопригодность, т.к. любую плату можно извлечь из блока не разбирая конструкцию, также позволяет исключить использование передней панели по той причине, что спереди корпус закрывается фальшпанелями.

Сверху и снизу каркас закрывается перфорированными крышками, а сбоку и сзади - панелями, которые крепятся винтами. Перфорация крышек применена для обеспечения нормального теплового режима блока интерфейсных адаптеров. На боковых панелях имеются планки, прикрепленные винтами, предназначенные для установки блока интерфейсных адаптеров в стойку. Для удобства установки и извлечения блока из стойки спереди имеются две ручки, прикрепленные винтами к выступам боковых панелей. Выступы имеют отверстия для закрепления конструкции в стойке. К задней панели крепятся разъемы для подключения кабелей интерфейсных адаптеров, для подключения напряжения сети к блоку питания. Также на ней нанесена маркировка номеров разъемов и напряжения сети 220В, 50Гц. Для обеспечения нормального теплового режима блока питания в задней панели имеются отверстия, через которые продувается воздух вентилятором установленным в блоке питания.

Внутриблочная коммутация плат осуществляется посредством объединительной платы, на которой расположены вилки для подключения розеток соответствующих плат. Это позволяет исключить кабели для межплатной коммутации, что повышает устойчивость схемы к элекромагнитным помехам.

7 ВЫБОР СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ГЕРМЕТИЗАЦИИ, ВИБРОЗАЩИТЫ И ЭКРАНИРОВАНИЯ

7.1 Выбор способа теплозащиты

Для обеспечения нормального теплового режима необходимо выбрать такой способ охлаждения блока интерфейсных адаптеров (далее "блока"), при котором количество тепла, рассеиваемого в окружающую среду, будет равным мощности теплоты выделения блока, при этом также необходимо учесть теплостойкость элементной базы.

Расчет температуры всех входящих в блок элементов представляет собой чрезвычайно трудоемкий процесс. В связи с этим встает вопрос: для каких элементов необходимо рассчитывать температуру, чтобы с заданной достоверностью можно было судить о соответствии теплового режима всего блока требованиям технического задания.

Методика определения числа элементов РЭС, подлежащих расчету теплового режима, состоит в следующем [15]:

1. Задаемся вероятностью правильного расчета р.

Если вероятность p > 0,8, то можно остановиться на выбранном способе охлаждения. При вероятностной оценке 0,8 > р > 0,3 можно применить выбранный способ охлаждения, однако при конструировании РЭС обеспечению нормального теплового режима следует уделить тем больше внимания, чем меньше вероятность. При вероятности 0,3 > р > 0,1 не рекомендуется использовать выбранный способ охлаждения.

Исходя из вышеизложенного, задаемся вероятностью правильного расчета р > 0,8.

2.Определяем средний перегрев нагретой зоны.

Исходными данными для проведения последующего расчета являются:

- K_з - коэффициент заполнения по объему 0,6;

- суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 30;

- давление окружающей среды, кПа 87;

- давление внутри корпуса, кПа 87;

- габаритные размеры корпуса, м 483х0,295х0,264;

- площадь i-го перфорационного отверстия, м² 0,472 10^-4 ;

- количество перфорационных отверстий 320.

Средний перегрев нагретой зоны перфорированного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике [16]:

1. Рассчитывается поверхность корпуса блока:

, (7.1)

где L₁ , L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃ - вертикальный размер, м.

Для разрабатываемой конструкции блока L₁ = 0,483м, L₂ = 0,295м, L₃ = 0,264м. Подставив данные в (7.1), получим:

м² .

2. Определяется условная поверхность нагретой зоны:

, (7.2)

где k_З - коэффициент заполнения корпуса по объему. В нашем случае k_З = 0,6. Подставляя значение k_З в (7.2), получим:

м² .

Определяется удельная мощность корпуса блока:

, (7.3)

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке. Для разрабатываемого блока Р =30Вт. Тогда:

Вт/м² .

3. Определяется удельная мощность нагретой зоны:

4.

. (7.4)

Вт/м² .

5. Находится коэффициент Q₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

6.

(7.5)

.

7. Находится коэффициент Q₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

(7.6)

.

Определяется коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

, (7.7)

где Н₁ - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н₁ =87кПа. Подставив значение Н₁ в (7.7), получим:

.

8. Определяется коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

, (7.8)

где Н₂ - давление внутри корпуса в Па.

Для перфорированного корпуса Н₂ =Н₁ =87кПа. Тогда:

.

9. Рассчитывается суммарная площадь перфорационных отверстий:

, (7.9)

где S_i - площадь i-го перфорационного отверстия. Для разрабатываемой конструкции S_i =0,472см² , количество перфорационных отверстий - 320 шт. Подставив данные в (7.9), получим:

м² .

10. Рассчитывается коэффициент перфорации:

. (7.10)

.

11. Определяется коэффициент, являющийся функцией коэффициента перфорации:

. (7.11)

.

10. Определяется перегрев нагретой зоны:

. (7.12)

°С.

3. Для значений p = 0,95 и Q_З = 11,8 °С по графикам [рис.4.22, 15] находим значение допустимого перегрева элементов

Т_эл ^(д) . υ_эл ^(д) =30 °С, Т_эл ^(д) = Т_с + υ_эл ^(д) = 40+30 = 70 °С

4. Расчету подлежат те элементы РЭС, у которых Т_{эл k} ^(д) < 70 °С.

Значения Т_{эл k} ^(д) для элементной базы разрабатываемого блока приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Значения допустимых температур элементов

Из таблицы 7.1 видно, что для всех элементов, кроме ИМС серии К1401, выполняется условие Т_{эл k} ^(д) > 70 °С. Для ИМС серии К1401 проведем подробный тепловой расчет.

Для выбора способа охлаждения исходными данными являются следующие данные:

- суммарная мощность Р_р , рассеиваемая в блоке, Вт 30;

- диапазон возможного изменения температуры

окружающей среды: микроклимат +20…+24°C (Т_{с мах} , Т_{с мin} )

и по ГОСТ 15150-69, °C +10…+40;

- пределы изменения давления окружающей среды:

Р_мах, кПа (мм рт. ст.) 106,7 (800);

P_min, кПа (мм рт. ст.) 84,0 (630);

_- допустимая температура элементов

(по менее теплостойкому элементу), Т_max , °C +70;

- коэффициент заполнения по объему 0,6;

Выбор способа охлаждения часто имеет вероятностный характер, т.е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного в техническом задании теплового режима РЭС при выбранном способе охлаждения, а также те усилия, которые необходимо затратить при разработке будущей конструкции РЭС с учетом обеспечения теплового режима.

Выбор способа охлаждения можно выполнить по методике [15]. Используя графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения и расчеты, приведенные ниже, проверим возможность обеспечения нормального теплового режима блока в перфорированном корпусе с естественным воздушным охлаждением.

Условная величина поверхности теплообмена рассчитывается по (7.2). S_п = 0,532м² .

Определив площадь нагретой зоны, определим удельную мощность нагретой зоны: плотность теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена, рассчитывается по (7.4). q_З = 56,4 Вт/м² .

Тогда: lg q_З = lg 56,4 = 1,75.

Максимально допустимый перегрев элементов рассчитывается по (7.13)

, (7.13)

Тогда:

По графикам [рис.2.35, рис.2.38, 15] для значений q_З = 56,4 Вт/м² и определяем, что нормальный тепловой режим блока в перфорированном корпусе с естественным воздушным охлаждением будет обеспечен с вероятностью p = 0,9. Так как полученное значение вероятности p > 0,8, то можно остановиться на выбранном способе охлаждения.

Более подробный расчет теплового режима проводится далее.

7 .2 Выбор способов и методов герметизации

Герметизация - обеспечение практической непроницаемости корпуса РЭС для жидкостей и газов с целью защиты ее элементов от влаги, плесневых грибков, пыли, песка, грязи и механических повреждений. Она является наиболее радикальным способом защиты элементов РЭС.

Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию [17].

Индивидуальная допускает замену компонентов РЭС при выходе из строя и ремонт изделия. При общей герметизации (она проще и дешевле индивидуальной) замена компонентов и ремонт возможны только при демонтаже корпуса, что может вызвать затруднение.

Для частичной герметизации применяют пропитку, обволакивание и заливку как компонентов, так и РЭС лаками, пластмассовыми или компаундами на органической основе. Они, как правило, не обеспечивают герметичность в течение длительного времени.

Практически полная защита РЭС от проникновения воды, водяных паров и газов достигается при использовании металлов, стекла и керамики с достаточной степенью непроницаемости. Наиболее распространенные способы такой герметизации - применение металлических корпусов с воздушным заполнением.

Важным фактором повышения эффективности герметизации является лакокрасочные, гальванические и химические покрытия пропитывающих, обволакивающих и заливочных материалов, металлического и металло-полимерного гермокорпусов.

Разъемная герметизация применяется для защиты блоков РЭС, требующих замены компонентов при ремонте, регулировке и настройке.

Общие требования к покрытиям металлическим и неметаллическим неорганическим установлены ГОСТ 9.301-86 (СТ СЭВ 5293-85, СТ СЭВ 5294-85, СТ СЭВ 5295-85).

Требования к поверхности основного металла: под защитные покрытия R_Z 40, не грубее; под защитно-декоративные R_a 2,5, не грубее; под твердые и электроизоляционные R_a 1,25, не грубее.

Данные о покрытиях деталей и сборочных единиц разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров приведены в таблице 7.2

Таблица 7.2 - Данные о покрытиях деталей и сборочных единиц конструкции блока интерфейсных адаптеров.

Ан.Окс.нхр. - покрытие окисное, полученное способом анодного окисления (Ан.Окс.), толщина не нормируется, наполнение в растворе хроматов (нхр.). Используется по алюминию как защитное.

Ан.Окс.тв.нхр. - покрытие окисное, полученное способом анодного окисления (Ан.Окс.), толщина не нормируется, твердое (тв.), наполнение в растворе хроматов (нхр.). Используется по алюминию как защитное.

Ц3.хр. - цинковое покрытие, хромированное. Используется как улучшающее свинчиваемость по алюминию и его сплавам.

Эмаль ХВ110 серая ГОСТ 18374-79 - покрытие эмалью ХВ110, цвет серый, эксплуатируется в условиях умеренного климата.

Анодно-окисные покрытия - защитные покрытия пленкой окислов основного металла, полученной в электролите.

Покрытия по алюминию и алюминиевым сплавам имеют пористое строение и сравнительно высокую твердость.

Покрытия, наполненные в растворе бихроматов, обладают повышенной адгезией к лакам, эмалям и применяются в качестве подслоя [18].

Цинковое покрытие защищает металлы от коррозии химически. Оно улучшает свинчиваемость деталей. Покрытие обладает декоративными свойствами, цвет - серый или серебристо-серый [18].

Эмаль ХВ110 предназначена для покрытия металлических поверхностей, работающих в условиях умеренного и холодного климата. Стойкость эмалей к статическому воздействию воды не менее 24 ч.

7 .3 Выбор способов и методов экранирования

Экранирование - локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве, за счет ограничения распространения ее всеми возможными способами.

Из этого следует, что в понятие экрана входят как детали механической конструкции, так и электротехнические детали фильтрующих цепей и развязывающих ячеек, ибо только их совместное действие дает необходимый результат [17].

При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источниками электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные промышленные установки, транспортные коммуникации, двигатели и т.д. Для того, чтобы локализовать, где это возможно, действие источника или сам приемник помех, используют экраны. По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирование.

Электростатическое экранирование - вид экранирования, заключающийся в шунтировании большей части (или всей) паразитной емкости емкостью корпуса.

Электромагнитное экранирование . Переменное высокочастотное электромагнитное поле при прохождении через металлический лист либо перпендикулярно, либо под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего поля. Металлический лист в данном случае является электромагнитным экраном. Примером электромагнитного экрана служит корпус блока интерфейсных адаптеров.

Внутриблочное экранирование и электромагнитная совместимость элементов и узлов сводятся к решению ряда конструктивных задач, основными из которых являются:

- анализ и учет паразитных емкостных связей, между пленочными элементами и проводниками объединительного и выводного монтажа в ячейках блоков РЭС;

- покаскадное экранирование и последовательное расположение каскадов в блоках приемно-усилительной аппаратуры;

- экранирование ЭРЭ с сильными полями и критичных к внешним электромагнитным наводкам;

- расчет на резонансные частоты корпусов блоков РЭС, реализующих схему СВЧ [19].

Экранированные провода, коаксиальные кабели и многожильные экранированные шланги с экранированными проводами внутри них следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом. Они позволяют защитить многоблочные устройства от наводок, поступающих извне, от взаимных наводок внутри устройства и защитить от наводок приборы, находящиеся в окружающем пространстве. Следует обратить особое внимание на качество присоединения оплеток к корпусам приборов [19].

В разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров источником электромагнитных помех является блок питания. Конструктивно он выполнен в виде отдельного блока в металлическом корпусе, что исключает его влияние на элементы схемы блока. Так как блок выполнен в корпусе из алюминиевого сплава , то таким образом обеспечена защита его от влияния внешних полей.

7 .4 Выбор способов и методов виброзащиты

Вибрации подвержены РЭС, установленные на автомобильном, железнодорожном транспорте, в производственных зданиях, на кораблях и самолетах.

Практический диапазон частот вибрации, действующей на РЭС, имеет широкий предел. Например, для наземной аппаратуры, переносимой или перевозимой на автомашинах, частота достигает 120 Гц при ускорении, действующем на приборы, до 6 g. Работающие в таких условиях РЭС должны обладать вибропрочностью и виброустойчивостью.

Вибропрочность - способность РЭС противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и при возникающих ускорениях в течение срока службы.

Виброустойчивость - способность выполнять все свои функции в условиях вибрации в заданных диапазонах частот и возникающих при этом ускорениях.

Известно, что в приборах, не защищенных от вибрации и ударов, узлы, чувствительные к динамическим перегрузкам, выходят из строя. Делать такие узлы настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные (действующие) динамические перегрузки, не целесообразно, так как увеличение прочности, в конечном счете, ведет к увеличению массы, а вследствие этого и к неизбежному возрастанию динамических перегрузок. Поэтому целесообразно использовать другие средства для снижения перегрузок [20].

Покрытие платы лаком не только обеспечивает защиту от вибрации, но и создает дополнительные точки крепления элементов к плате.

В разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров применено два вида соединений: разъемные и неразъемные. К первому виду относятся в основном резьбовые соединения, ко второму – пайка, сварка, развальцовка.

Основным недостатком резьбовых соединений является самоотвинчивание при действии вибрации. Для устранения самоотвинчивания в разрабатываемой конструкции применяются контровочные шайбы.

Сварочные соединения должны быть точно рассчитаны, качество сварки должно контролироваться.

Конструктивно разрабатываемый блок интерфейсных адаптеров предназначен для установки в стойку, поэтому виброзащита должна быть предусмотрена для стойки в целом.

8 РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЯ

8.1 Компоновочный расчет блоков РЭС

Выбор компоновочных работ на ранних стадиях проектирования позволяет рационально и своевременно использовать или разрабатывать унифицированные и стандартизированные конструкции РЭС. В зависимости от характера изделия (деталь, прибор, система) будет выполняться компоновка различных ее элементов. Основная задача, которая решается при компоновке РЭС, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположение в пространстве любых элементов или изделий РЭС. На практике задача компоновки РЭС чаще всего решается при использовании готовых элементов (деталей) с заданными формами, размером и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, механических, тепловых и др. видов связи.

Методы компоновки элементов РЭС можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических или обобщенных геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели.

Основой всех методов является рассмотрение общих аналитических зависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем численными значениями различных компоновочных характеристик: геометрическими размерами элементов, их объемами, весом, энергопотреблением и т.п. зная соответствующие компоновочные характеристики элементов изделия и законы их суммирования, мы можем вычислить компоновочные характеристики всего изделия и его частей.

Но так как при этом методе требуется выполнение множества математических операций, мы в дальнейшем расчете будем пользоваться номографической компоновкой [14]. При этом методе компоновки мы будем использовать предварительно вычисленные значения компоновочных параметров элементов.

Исходными данными является перечень элементов схемы электрической принципиальной, необходимые типоразмеры и установочные размеры ЭРЭ: установочный объем и установочная площадь. Необходимые данные сведены в табл. 8.1 и табл. 8.2

Данные результаты вычислений nV_i , nS_i , nM_i , которые получены с помощью номограммы [14], перепишем в порядке возрастания, затем с помощью схемы (см. рис.8.1, 8.2, 8.3) получим суммарные показатели объема, площади и массы разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров.

Таблица 8.1 - Численные и зашифрованные значения установочных объема и площади ЭРЭ проектируемой конструкции согласно номографической компоновки

Таблица 8.2 - Численные и зашифрованные значения установочной массы ЭРЭ проектируемой конструкции согласно номографической компоновки.

А6 А12

А6 Б1,5

А9 А18,5

А15 Б12

А15 Б1

А15 Б9

А18 Б4,5

А19 В18

Б5 Б11

Б6 В4

Б7 В2

В1 В17,5

В5 В14 Д10

В10 В15,5

В13 В0,5

В16

В18 Г11

Г9 Д7

Д6

Рис. 8.1 Схема результатов вычисления суммарного упаковочного объема.

А14 Б0,5

А15 Б8

А17 Б3,5

А18 Б19

А19 Б6

Б1 Б16

Б5 Б13

Б9

Б11 В2,5

Б20 Г1

В8 В20

В18 Г15

В15 Г1

В15 Г13

Г1 Г10,5 Д7

Г7

Г7 Г14

Г9 Д5

Д3

Рис. 8.2 Схема результатов вычисления суммарной площади.

А19 Б6

Б1 Б14,5

Б1 Б10,5

Б7 В5

Б8 Б14,5

Б9 В2

Б11 Б17

Б11 Г19

Б17 В12,5

В11 Г6

В17 Г4,5

В20 Г18

Г1 Г7 Д6

Г1 Г15

Г4 Г11

Г6

Г11 Д1

Г17

Рис. 8.3 Схема результатов вычисления суммарной массы.

Полученное значение площади 2000см² , а масса - 1800г. Из конструктивных соображений выберем коэффициент заполнения по объему равным 0,6. По номограмме 3 [14] определяем реальный объем, он равен 5300см³ .

По номмограмме 4 [14] получим расчетные габаритные размеры корпуса: длина - 0,24м, ширина - 0,15м, высота - 0,14м. Т.к. конструктивно блок интерфейсных адаптеров предусматривает расширение, то есть подключение, при необходимости, дополнительных интерфейсных адаптеров, то из конструктивных соображений выбираем следующие габаритные размеры корпуса: (0,483х0,295х0,264)м.

Полученные значения габаритных размеров полностью соответствуют заданным в техническом задании.

8.2 Расчет теплового режима

На основании расчетов проведенных в п. 7.1 был выбран тип тип корпуса разрабатываемого блока интерфейсных адаптеров: перфорированный с естественным охлаждением.

Исходными данными для проведения последующего расчета теплового режима является:

- K_з - коэффициент заполнения по объему 0,6;

- суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 30;

- давление окружающей среды, кПа 87;

- давление внутри корпуса, кПа 87;

- габаритные размеры корпуса, м 483х0,295х0,264;

- допустимая температура корпуса наименее

теплостойкого элемента, °С 70;

- плотность теплового потока, проходящего

через поверхность теплообмена, Вт/м² 56,4.

Расчет проведем для двух случаев:

1. Температура окружающей среды равна (24°С) 297 К;

2. Температура окружающей среды равна максимальной рабочей температуре (по УХЛ 4.2 +40°С) 313 К.

Методика расчета теплового режима блока РЭС в перфорированном корпусе.

1. Рассчитывается поверхность корпуса блока:

, (8.1)

где:

L₁ , L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃ - вертикальный размер, м.

2. Определяется условная поверхность нагретой зоны:

, (8.2)

где:

k_З - коэффициент заполнения корпуса по объему.

3. Определяется удельная мощность корпуса блока:

, (8.3)

где:

Р - мощность, рассеиваемая в блоке.

4. Определяется удельная мощность нагретой зоны:

, (8.4)

5. Находится коэффициент ?₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

(8.5)

6. Находится коэффициент ?₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

(8.6)

7. Определяется коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

, (8.7)

где:

Н₁ - давление окружающей среды в Па.

8. Определяется коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

, (8.8)

где:

Н₂ - давление внутри корпуса в Па.

9. Рассчитывается суммарная площадь перфорационных отверстий:

, (8.9)

где:

S_i - площадь i-го перфорационного отверстия.

10. Рассчитывается коэффициент перфорации:

. (8.10)

11. Определяется коэффициент, являющийся функцией коэффициента перфорации:

. (8.11)

12. Рассчитывается перегрев корпуса блока:

. (8.12)

13. Определяется перегрев нагретой зоны:

. (8.13)

14. Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

. (8.14)

15. Определяется удельная мощность элемента:

, (8.15)

где:

Р_ЭЛ - мощность, рассеиваемая элементом, температуру которого требуется определить;

S_ЭЛ - площадь поверхности элемента омываемая воздухом.

16. Рассчитывается перегрев поверхности элементов:

. (8.16)

17. Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

. (8.17)

18. Определяется температура корпуса блока:

, (8.18)

где:

Т_с - температура среды окружающей блок.

19. Определяется температура нагретой зоны:

. (8.19)

20. Определяется температура поверхности элемента:

. (8.20)

21. Определяется средняя температура воздуха в блоке:

. (8.21)

22. Определяется температура среды, окружающей элемент:

. (8.22)

Результаты расчета сведены в табл.8.3

Таблица 8.3

Результаты теплового расчета

Перегрев корпуса менее теплостойкого элемента 12,4?C. Максимально допустимый перегрев элементов 30?C. Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях условиях эксплуатации разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров обеспечивается нормальный режим, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин, таким образом подтверждается правильность выбора типа корпуса (перфорированный) и способа охлаждения (естественный).

8.3 Полный расчет надежности

Надежность есть свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных условиях. Под “заданными условиями” подразумеваются различные факторы, которые могут влиять на выходные параметры системы и выводить их за пределы установленных норм.

Для получения более или менее достоверных расчетных данных о надежности разрабатываемого изделия необходимо располагать аналитическими зависимостями, в наилучшей степени характеризующими взаимосвязи параметров элементов с выходными параметрами изделия, степенью влияния параметров элементов на выходные параметры изделия, то есть “вес” каждого элемента в общей надежности изделия. Нужно знать поведение параметров элементов от действующих на них нагрузок, определяющихся режимом их использования и внешними воздействиями. Кроме того, необходимо иметь сведения о вероятности появления возможных уровней режимов и внешних воздействий, а также степени взаимосвязей и взаимозависимостей элементов.

Поскольку элементы в общем случае могут находиться в рабочем режиме различное время, отличающееся от рабочего времени изделия, это также должно учитываться при расчете надежности. Расчет надежности блока интерфейсных адаптеров выполнен с учетом следующих допущений:

¾ отказы элементов являются случайными и независимыми процессами или событиями;

¾ учет влияния условий эксплуатации производится приблизительно;

¾ параметрические отказы не учитываются;

¾ вероятность безотказной работы элементов от времени изменяется по экспоненциальному закону.

Нам необходимо рассчитать полную надежность блока интерфейсных адаптеров при работе в условиях воздействия повышенных температур.

Исходные данные для расчета надежности блока интерфейсных адаптеров в условиях повышенных температур окружающей Среды приведены в табл.8.4

Таблица 8.4

Исходные данные для расчета надежности при воздействии повышенной температуры окружающей среды

Интенсивность отказов рассчитывается по (8.23)

, (8.23)

где:

l_{i 0} - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов;

a_j - поправочный коэффициент, учитывающий j-ый фактор (температуру-a₁ ; коэффициент электрической нагрузки-a₂ ; влажность-a₃ ; механические воздействия-a₄ ; и другие факторы режима и условий работы элементов a_k ...a_p );

n - общее число элементов конструкции.

В наших расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:

a_1,2 - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;

a_3,4 - учитывающий одновременно кинематические и механические нагрузки.

Для определения поправочных коэффициентов a_j , воспользуемся обобщенными таблицами и графиками [21].

Средняя наработка на отказ данного изделия определяется по (8.24)

. (8.24)

Вероятность безотказной работы рассчитывается по (8.25)

. (8.25)

Среднее время восстановления рассчитывается по (8.26)

(8.26)

где:

q_i - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;

k - число групп элементов.

Вероятность восстановления рассчитывается по (8.27)

(8.27)

где:

t - заданное время восстановления.

Коэффициент готовности рассчитывается по (8.28)

(8.28)

Коэффициент ремонтопригодности рассчитывается по (8.29)

. (8.29)

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления рассчитывается по (8.30)

. (8.30)

Доверительные границы для наработки на отказ рассчитываются по (8.31)

; (8.31)

где:

n = 10...15 - число отказов достаточных для определения надежности;

a = 0,9...0,99 - достоверность определения границ;

;

l² - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.

Параметры надежности, полученные в результате расчета, сведены в табл.8.5

Таблица 8.5

Результаты расчета надежности

Как видно из результатов расчета, приведенных в табл.8.5, полученные значения полностью соответствуют заданным в техническом задании.

8.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭС. При разработке конструкции РЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность элементов.

Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

8.4.1 Расчет собственных частот колебаний элементов

При расчете частот собственных колебаний конструкцию РЭС условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема возможно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы. Так как резонансные частоты вредны для всех радиоэлементов, то при конструировании необходимо хотя бы приближенно определять частоты собственных колебаний элементов [22].

Частоту собственных колебаний резисторов с, закрепленных по способу Б (рис.8.4) можно определить по номограммам [рис.7.7, 22]. Значение собственной частоты резистора f₀ = 7 кГц.

Рис. 8.4. Схема крепления резисторов.

При расчете частоты собственных колебаний микросхемы ее представляют в виде консольной конструкции (рис. 8.5).

Рис.8.5 Эквивалентная схема микросхемы.

В этом случае расчет собственной частоты колебаний микросхемы можно произвести по (8.32)

, (8.32)

где:

Е - модуль упругости материала балки, Н/м² . В нашем случае Е = 0,7·10¹¹ Н/м² ;

М - сосредоточенная масса. В нашем случае М = 3г.

I - момент инерции балки, м⁴ . Момент инерции для выводов микросхемы рассчитывается по (8.33)

, (8.33)

где:

D - диаметр вывода ИМС. D = 0,5 мм.

м⁴ .

m - приведенная погонная масса. В нашем случае m = 0,015 г/мм.

Подставляя значения в (8.33), получим

кГц.

Так как полученные значения частот собственных колебаний резистора и ИМС на много больше верхней частоты воздействующих вибраций (150 Гц), то можно сделать вывод о том, что элементы не будут усиливать колебания (коэффициент динамичности m в этом случае равен 1).

8.4.2 Расчет собственной частоты печатной платы

Применительно к печатной плате используется следующая формула для расчета собственной частоты:

Гц, (8.34)

где:

K_m - коэффициент, учитывающий материал, из которого выполнена плата;

K_b - коэффициент, учитывающий наличие ЭРЭ;

В - коэффициент, зависящий от варианта закрепления пластины и соотношения сторон ;

h - толщина пластины.

, (8.35)

где:

Е - модуль упругости материала, из которого выполнена плата;

r - плотность материала, из которого выполнена плата;

Е_S - модуль упругости для стали;

r_S - плотность стали.

, (8.36)

где:

m_Э - масса элементов;

m_n - масса платы.

Печатная плата адаптера АРЛС выполнена из стеклотекстолита. Его плотность равна: r = 2 г/см³ . Коэффициент, учитывающий материал K_m = 0,74. Размеры платы (240х160х1,5)мм. Масса элементов - 87г.

По (8.37) определяем массу платы:

, (8.37)

Подставляя значения в (8.37), находим:

г.

Подставляя данные в (8.36), получим:

.

Значение коэффициента В для способа закрепления платы, представленного на рис. 8.6, равно 93.

Рис. 8.6. Способ закрепления платы.

Подставляя значения в (8.34), получим значение собственной частоты платы адаптера АРЛС.

Гц.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:

, (8.35)

где:

b - безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций, 35.

b - размер короткой стороны платы, 160мм.

n_bmax - вибрационные перегрузки в единицах g, 3...10.

Гц.

Условие (8.35) выполняется: , таким образом, плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций.

8.4.3 Расчет и выбор упаковочных виброизоляторов

Защита РЭС от механических воздействий при транспортировке является довольно сложной задачей, поскольку трудно учитывать случайные толчки, удары, определяемые профилем дороги, колебания отдельных частей транспортных средств и т.п. РЭС, размещаемые в кузове автомобиля, испытывают преимущественно вертикальные, а перевозимые по железной дороге - пространственные колебания (при трогании, торможении и движения состава амплитуда колебаний примерно одинакова по всем трем координатным осям) [23].

Защита РЭС при их транспортировании в упаковочной таре осуществляется с помощью упаковочных виброизоляционных прокладок из различных материалов, пружин или стандартных виброизоляторов. При использовании упаковочных виброизоляционных прокладок необходимо осуществлять выбор их оптимальных геометрических размеров, так как, например, при недостаточной толщине прокладки возможно повреждение упакованного РЭС при воздействии удара, а выбор толщины прокладки больше необходимой для обеспечения защиты приведет к удорожанию упаковки из-за перерасхода виброизоляционного материала.

В настоящее время для изготовления прокладок, используемых в упаковочной таре, применяется гофрированный картон, пенополистирол, пенополиуретан и др. [ 20 ].

К характеристикам прокладок, определяющим эффективность защиты аппаратуры, относят их механические свойства, геометрические параметры (толщину и площадь), а также показатели ползучести материалов прокладок под нагрузкой с течением времени [24].

В качестве материала прокладки выбираем пенополиуретан ППУ-ЭМ-1 .

Определение оптимальных размеров прокладок можно выполнить по методике [20]. Исходными данными при расчете являются:

- величина максимального ударного ускорения, м/с² (g) 147 (15);

- предполагаемая высота падения в РЭС в упаковке, мм 500;

- масса РЭС, кг 5;

- геометрические размеры РЭС, м 0,483х0,295х0,264;

Упаковочные прокладки располагают снизу РЭС, а если необходимо, то сверху и с боковых сторон (рис.8.7).

Рис.8.7. Расположение прокладок при проектировании упаковки: 1- упаковываемый аппарат; 2 - прокладка; 3 - внешний контейнер.

Для расчета упаковочных прокладок используют номограммы [рис.6.23,20], разработанные для различных материалов.

Расчет оптимальных размеров прокладок производится по номограммам в следующей последовательности [20].

1. Определяется толщина прокладки Т.

2. Определяется требуемая площадь прокладки S. В нашем случае S = 900см² . Находим площадь опорной грани упаковываемого изделия S_о.г . S_о.г = 1424,85см² . Так как расчетное значение площади лежит в пределах S_о.г >S>0,5S_о.г , то изготавливаем четыре одинаковые прокладки, общая площадь которых равна S, поместив их по углам опорной грани.

Полученное значение толщины прокладки Т=90мм.

После определения размеров прокладок проверяем возможность местного выпучивания прокладки. Она осуществляется проверкой неравенства

. (8.36)

Подставляя полученные значения в (8.36), получим

Так как неравенство (8.36) выполняется, то можно сделать вывод о том, что рассчитанные размеры и выбранный материал прокладки обеспечат защиту от транспортируемого изделия механических воздействий.

8.5 Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы

8.5.1 Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы

Метод изготовления печатной платы выбран на основании ОСТ 4 ГО 054. 043 и ОСТ 4 ГО 054. 058. В соответствии с ними существуют следующие методы: комбинированный (позитивный и негативный), химический, металлизация сквозных отверстий для изготовления многослойных печатных плат.

Исходя из особенностей электрической схемы, элементной базы разрабатываемого устройства и конструктивных характеристик печатных плат, изготавливаемых различными методами, выбираем комбинированный позитивный метод изготовления печатных плат.

Как было отмечено в техническом задании, схема электрическая принципиальная блока интерфейсных адаптеров разделена на семь функциональных блоков. Каждый блок размещен на отдельной печатной плате. Трассировка плат ведется по двум сторонам, что упрощает разводку проводников и позволяет уменьшить размеры печатной платы. Монтажные отверстия должны иметь металлизацию.

При разработке печатной платы следует учитывать следующие рекомендации:

- питающие проводники и «земля» должны иметь минимальное сопротивление и длину;

- «сигнальные» проводники должны иметь минимальные участки, где они проходят параллельно;

- размещение проводников на разных сторонах печатной платы желательно перпендикулярно или под углом 45°.

Особые требования при разработке печатных плат предъявляются к контактным площадкам и ширине проводников.

8.5.2 Расчет конструктивно-технологических параметров печатного монтажа

В данном разделе проводится расчет параметров печатного монтажа платы адаптера АРЛС. Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом и имеет 3-й класс точности. Исходными данными являются: толщина фольги 35 мкм, максимальный ток через проводник 423 мА, максимальная длина проводника 0,6 м, допустимое падение напряжения на проводнике 0,2 В, максимальный диаметр выводов микросхем 0,5 мм, размеры платы 160х240 мм² , расстояние между выводами микросхемы 2,5 мм.

1.Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

, (8.37)

где:

I_max - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

j_доп - допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления [ табл. 4.5, 25]. В нашем случае j_доп = 48 А/мм² ;

t - толщина проводника, мм.

Подставляя значения в (8.37), получим:

мм.

2.Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

, (8.38)

где:

r - удельное объемное сопротивление.

Для нашего случая r = 0,0175 Ом·мм² /м [табл. 4.5, 25];

U_ДОП - допустимое падение напряжения.

Подставляя значения в (8.38), получим:

мм.

3.Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

, (8.39)

где:

d_Э - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

Dd_н.о - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия [табл. 4.6, 25]. Dd_н.о = 0,1;

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

мм.

4.Рассчитываем диаметр контактных площадок. Минимальный диаметр, мм, контактных площадок для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом способе получения рисунка

, (8.40)

где:

h_ф - толщина фольги;

D_min - минимальный эффективный диаметр площадки:

, (8.41)

где:

b_м - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

dd и dp - допуски на расположение отверстий и контактных площадок.

d_max - максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

, (8.42)

где:

Dd - допуск на отверстие.

В нашем случае b_м = 0,035 мм, dp = 0,25 мм, dd = 0,1 мм, Dd = 0,05 мм [табл.4.6,25].

Подставляя значение Dd в (8.42), получим:

мм.

Подставляя значения b_м , dp, dd, d_max в (8.41), получим:

мм.

Подставляя полученное значение D_1min в (8.40), получим:

мм.

Максимальный диаметр контактной площадки

. (8.43)

мм.

5.Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников, мм, для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом получении рисунка

, (8.44)

где:

b_1min - минимальная эффективная ширина проводника, b_1min = 0,18 мм для плат 1-, 2-, 3-го класса точности. Подставляя значение b_1min в (8.44), получаем

мм.

Максимальная ширина проводников

. (8.45)

мм

6.Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой

, (8.46)

где:

L₀ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

dl - допуск на расположение проводников. В нашем случае dl = 0,05 мм [табл.4.6, 25].

Подставляя значения в (8.46), получим:

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками

. (8.47)

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками

. (8.48)

мм

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности.

8.6 Расчет электромагнитной совместимости

В данном разделе проводится определение работоспособности устройства сопряжения с АРЛС в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи. Расчет производим по методике [25].

Рис. 8.8. Схема расположения проводников на печатной плате:

1 - основание печатной платы; 2 - проводник.

Устройство сопряжения с АРЛС выполнено на двусторонней печатной плате третьего класса точности из стеклотекстолита СФ2-35Г-2,0, покрытой лаком УР-231. Ширина проводников и расстояние между ними равны 1,5 мм. Максимальная длина области связи проводников - 0,14 м. Максимальное напряжение в активной линии составляет 1,7 В на частоте 1 МГц. В схеме использованы микросхемы серии К1533.

В состоянии логической «1» помеха слабо влияет на срабатывание микросхем, поэтому рассмотрим случай, когда на входе микросхемы логический «0». При этом U ^«0» _вх = 0,5 В, I ^«0» _вх = 0,4 мА, U ^«0» _вых = 0,5 В, I ^«0» _вых = 4 мА. Тогда можно определить входное сопротивление по (8.49) и выходное сопротивление по (8.50).

. (8.49)

Ом.

. (8.50)

Ом.

Исходными данными для расчета являются:

- Е - напряжение генератора в активной линии связи, В 1,7;

- w - круговая частота, МГц 6,28;

- R^«0» _вх , Ом 1250;

- R ^«0» _вых , Ом 125;

- e_r - относительная диэлектрическая проницаемость

среды между проводниками 5;

1. Определяем взаимные емкости С и индуктивности М линий связи по (8.51) и (8.52) соответственно

. (8.51)

пФ.

. (8.52)

мГн.

2. Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками

3.

, (8.53)

где:

r_кв - удельное поверхностное сопротивление основания печатной платы. Для стеклотекстолита r_кв = 5·10¹⁰ Ом. Подставив данные в (8.53), получим

Ом.

3.Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях

R ^«0» _вх и R ^«0» _вых

. (8.54)

В.

4. Сравниваем действующее напряжение помехи с помехоустойчивостью микросхемы. Для К1533 U_П = 0,5 В. Следовательно, действие помехи не приведет к нарушению работоспособности платы устройства сопряжения с АРЛС.

9. АНАЛИЗ И УЧЕТ ТРЕБОВАНИЙ ЭРГОНОМИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭСТЕТИКИ

Максимально допустимые размеры ЛП определяются исходя из горизонтального и вертикального угловых размеров зоны периферичеcкого зрения оператора и требуемого расстояния l до ЛП [26, рис. 2.1]. Максимальная длина ЛП равна

, (9.1)

где:

a_гор - горизонтальный угол обзора ЛП.

Максимальная высота

, (9.2)

где:

a_верт - вертикальный угол обзора ЛП.

Для зоны периферического зрения оператора принимают a_гор = 90°, a_верт =75°. Применительно к разрабатываемому устройству l = 0,8 м при общем числе элементов N_эл = 14. Тогда

м.

м.

Минимально допустимые размеры ЛП определяются из следующих соображений. В соответствии с эргономическими требованиями в поле зрения, ограниченном углом зрения 10°, должно размещаться 4...8 элементов ЛП (для расчета принимаем 4 элемента). Тогда площадь зрения S_пз на ЛП, ограниченная указанным углом 10°, может быть вычислена по формуле

. (9.3)

м² .

При числе элементов N_эл , размещаемых на ЛП, минимальная площадь ЛП, удовлетворяющая эргономическим требованиям, равна

. (9.4)

м² .

Фактическую площадь ЛП выбирают, как