Реферат

Пояснительная записка ___ страниц., 23 рисунков, 37 таблиц, 23 источника, приложение ___ листов.

Ключевые слова: ЦИФРОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, ЦИФРОВОЙ ПРОЦЕССОР ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ИНТЕРФЕЙС RS232.

Целью данной работы является проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты. Система позволяет осуществлять: генерацию одно- или многочастотного сигнала в диапазоне частот 20Гц – 20кГц с шагом изменения частоты 1Гц и амплитудой до 2В, измерение уровня сигнала частотой 1020Гц в диапазоне уровней от –30дБ до +16дБ с погрешностью 0,1дБ (уровень отсчитывается относительно 0,775В), измерение частоты монотонального сигнала в диапазоне от 20Гц до 20кГц с погрешностью 1Гц.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений

Введение

1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Принципы построения цифровых генераторов звуковых частот

1.2 Разработка структурной схемы измерителя

1.3 Разработка электрической принципиальной схемы процессорного блока

1.3.1 Разработка состава схемы процессорного блока

1.3.2 Выбор микропроцессора

1.3.3 Выбор ПЗУ и ОЗУ

1.3.4 Выбор дешифратора, счетчика и инвертора

1.3.5 Выбор генератора тактовой частоты

1.3.6 Выбор микросхемы сброса

1.3.7 Выбор микросхемы УСАПП

1.3.8 Выбор преобразователя уровней

1.3.9 Описание электрической принципиальной схемы процессорного блока

1.4 Разработка электрической принципиальной схемы блока формирования и управления

1.4.1 Разработка состава блока формирования и управления

1.4.2 Выбор ЦАП

1.4.3 Выбор АЦП

1.4.4 Выбор аттенюирующего ЦАП

1.4.5 Выбор регистра

1.4.6 Выбор операционного усилителя

1.4.7 Выбор реле

1.4.8 Расчет параметров элементов ФНЧ, предназначенного для сглаживания внеполосного шума ЦАП

1.4.9 Описание электрической принципиальной схемы блока формирования и управления

1.5 Разработка алгоритма работы измерителя

1.6 Расчет мощности потребляемой устройством

1.7 Расчет надежности измерителя

2 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Патентный поиск

2.2 Разработка технического задания

2.3 Разработка конструкции блока

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

2.5 Размещение и трассировка печатной платы

2.6 Расчет проводящего рисунка

2.7 Расчет проводников по постоянному току

2.8 Расчет проводников по переменному току

2.9 Расчет теплового режима

2.10 Расчет защиты от механических воздействий

2.11 Расчет на действие удара

2.12 Оценка уровня качества

2.12.1 Оценка уровня технологичности конструкции блока

2.12.2 Расчет уровня качества

2.13 Разработка технологического процесса сборки блока

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Выбор и обоснование базового варианта

3.2 Расчет себестоимости блока измерителя

3.3 Расчет годовых эксплуатационных затрат

3.4 Расчет годового экономического эффекта

4 РАЗДЕЛ ОХРАНЫ ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

4.1 Анализ и нормирование опасных и вредных производственных факторов

4.2 Разработка рекомендаций, мероприятий, устройств и систем безопасности жизнедеятельности

4.2.1 Мероприятия по обеспечению безопасности и безвредности объекта проектирования

4.2.2 Организация рабочего места

4.2.3 Расчет защитного заземления

4.3 Обеспечение экологической безопасности

4.3.1 Защита атмосферы

4.3.2 Защита гидросферы

4.4 Пожарная безопасность

4.4.1 Пожароопасность на предприятии

4.4.2 Мероприятия при пожарной профилактике, средства защиты и тушения пожаров

4.4.3 Выбор первичных средств пожаротушения

4.4.4 Расчет противопожарного водоснабжения

4.5 Мероприятия по обеспечению продолжения производства в чрезвычайных ситуациях

5 Заключение

Список литературы

Приложение

Перечень сокращений

ЦПОС – цифровой процессор обработки сигналов

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

ФНЧ – фильтр низких частот

ИНИ – измеритель нелинейных искажений

ИМС – интегральная микросхема

ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика

УСАПП – универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик

ЭВМ – электронно-вычислительная машина

КМОП – комплиментарный металл окисел полупроводник

ЦОС – цифровая обработка сигналов

БПФ – быстрое преобразование Фурье

OSI – Open System Interconnect (эталонная модель взаимосвязи открытых систем)

ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки

ЗУ – запоминающее устройство

ВВЕДЕНИЕ

К началу двадцать первого века во всем мире построено и эксплуатируется огромное количество проводных линий связи, обеспечивающих передачу сигналов звуковой частоты. Особенно много линий связи используется в развитых странах (в США и Западной Европе), так как там в последнее время очень бурно развиваются информационные технологии, которые позволяют повысить удобство, обеспечить автоматизацию различных сфер деятельности современного человека. В настоящее время для высокоскоростной связи применяются оптоволоконные кабели, но для их введения в эксплуатацию требуются большие финансовые вложения. В тоже время исторически первыми линиями связи были проводные линии связи звуковой частоты, и к настоящему моменту их проложено и эксплуатируется достаточно много. Целесообразно полностью использовать их возможности.

Для качественной и надежной передачи по таким линиям связи сигналов звуковой частоты необходимо знать и периодически проверять параметры данных каналов связи. Каналы связи, не обладающие параметрами, заданными в ГОСТ 11515-91, ГОСТ 21655-87, приказом МС РФ №43 от 15.04.96 г. и Рекомендациями МСЭ-Т J.21, J.23, G.712, G713. , не обеспечивают требуемого качества передачи сигналов и не допускаются к эксплуатации. Проверки каналов связи на соответствие заданным параметрам проводятся периодически, поскольку с течением времени линии связи стареют, меняют свои параметры и в итоге выходят из строя. Поскольку номенклатура измеряемых показателей, при проверке качества линий связи, довольно велика, в данном дипломном проекте разрабатывается устройство, позволяющее измерять среднеквадратический уровень сигнала с частотой 1020 Гц, коэффициент гармоник и частоту тонального сигнала звуковой частоты, поданного на вход анализатора. До настоящего времени для измерения практически каждой характеристики канала связи приходилось пользоваться отдельным прибором. В ГОСТе указывался порядок проведения измерений и название прибора, выпускаемого советской промышленностью и предназначенного для выполнения данного вида измерений. Другими словами, что бы измерить коэффициент гармоник нужен был ИНИ( Измеритель нелинейных искажений), для измерения частоты сигнала применялись частотомеры, уровень сигнала измерялся вольтметром. Необходимость использования большого количества тяжелых и громоздких приборов, отсутствие автоматизации проведения измерений создает значительные неудобства оператору.

Элементная база, производимая в Америке и Европе, за последнее время значительно улучшила свои характеристики и одновременно стала достаточно дешевой и доступной даже для россиян. Значительные успехи западных компаний по производству быстродействующих и многоразрядных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей с хорошими характеристиками, производство быстродействующих цифровых сигнальных процессоров, предназначенных для работы в реальном масштабе времени, позволили создавать малогабаритные, экономичные и достаточно дешевые устройства различного назначения. Поэтому появилась возможность совместить в одном небольшом корпусе все приборы, необходимые для тестирования проводных каналов связи. Дипломный проект посвящается разработке именно такого устройства.

1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Принципы построения цифровых генераторов звуковых частот

В современной радиоэлектронной промышленности очень часто используются различного рода генераторы. Раньше, до широкого распространения и удешевления цифровой элементной базы, использовались в основном аналоговые устройства. Задачей генератора является преобразование энергии источника питания в энергию электрических колебаний необходимой формы и частоты. Для построения генераторов используются усилители с положительной обратной связью. Для превращения усилителя в генератор необходимо выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд, иными словами необходимо чтобы обратная связь была положительной, а усиление достаточным для компенсации потерь в цепи обратной связи. Стабильность генератора – это его способность генерировать заданную частоту без дрейфа. Дрейф генератора определяется стабильностью его компонентов. Физические и электрические параметры компонентов изменяются в зависимости от температуры, давления, влажности и питающих напряжений. Кроме того, на частоту генерируемого сигнала влияет разброс параметров элементов, входящих в схему.

В настоящее время в связи с развитием цифровой и микропроцессорной техники, увеличением степени интеграции микросхем, имеется возможность генерации сигналов практически любой формы. Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

Большое внимание уделяется решению задачи синтеза синусоидальных колебаний с частотами, задаваемыми с высокой точностью[4].

Возможны три цифровых метода получения синусоидальных колебаний:

1.Метод с использованием таблицы

2.Метод рекурсивных вычислений

3.Метод, сочетающий использование таблицы и рекурсивные вычисления.

Обобщенная структурная схема первого метода показана на рисунке 1.1.1

Рисунок 1.1.1

Количество разрядов адресного регистра обращения к таблице синусов может превышать величину log₂ M (здесь М – размер таблицы синусов), которая необходима для вызова любого отсчета таблицы. Дело в том, что наименьшее приращение адреса определяет минимально возможное значение синтезируемой частоты. Например, таблица синусов может содержать М = 1024 отсчета, тогда как регистр адреса может иметь 20 разрядов. Это означает, что если приращение адреса равно единице, то 1024 раза подряд будет выбираться один и тот же отсчет синуса, после чего произойдет переход к следующему отсчету и т. д. При таких малых приращениях адреса получаемая цифровая синусоида будет очень неточной, а возникающие при этом искажения в спектре трудно устранить с помощь фильтра нижних частот.

Описанная ситуация представлена на рисунке 1.1.2

Рисунок 1.1.2

Для получения идеальной синусоиды необходимо, чтобы спектр искажений, обусловленных цифровым методом формирования синусоиды, располагался выше частоты среза аналогового фильтра нижних частот.

Вместо выбора отсчетов синусоиды из таблицы их можно рассчитывать с помощью простой рекурсивной формулы. Действительно, пусть x(n) – комплексная экспонента вида exp(2pkn/NT). Тогда устройство, работающее согласно формуле

X(n)= exp[(j2pk/NT)x(n-1)],

будет генерировать требуемую комплексную экспоненту, причем ее действительная часть будет косинусоидой, а мнимая – синусоидой частоты F= k/NT. При таком подходе, если не принимать во внимание эффекты квантования, можно получить идеальную цифровую синусоиду без обращения к таблице. Система (рисунок 1.1.3) начинает работу при поступлении внешнего единичного импульса. Изменение частоты достигается путем изменения значения к в показателе степени коэффициента умножителя, причем предусматривается также восстановление фазы при приходе внешнего импульса или использование последнего выходного отсчета в качестве нового начального условия [4].

Рисунок 1.1.3

К настоящему времени синтезаторы частот рассматриваемого типа еще не построены, поскольку существует опасение, что в такой системе будут накапливаться нежелательные шумы квантования. С другой стороны, из теории предельных циклов следует, что устойчивые колебания всегда будут иметь место. Однако неясно, будут ли они пригодны для получения чисто синусоидальных аналоговых колебаний. Еще одной причиной, препятствовавшей созданию устройства рассматриваемого типа, является неравномерность сетки часто, связанная с квантованием коэффициентов.

Третий способ получается сочетанием первых двух. Он заключается в использовании и вычислений и таблицы синусов.

В техническом задании указано, что кроме гармонического сигнала, проектируемое устройство должно формировать меандр и пилообразный сигнал. Формирование пилообразного сигнала и меандра с различной скважностью проще всего реализовать вычислением отсчетов по соответствующим формулам.

Для пилообразного сигнала: y(n)= kd, k= ( n mod N), d – константа

Mod – операция взятия остатка от деления нацело.

На рисунке 1.1.4 показан пилообразный сигнал, сформированный по этой формуле.

Рисунок 1.1.4

Меандр формируется по формуле: y(n)= d, при (n mod (N+M)) <N y(n)= 0, при других n

Вид получаемого сигнала показан на рисунке 1.1.5

Рисунок 1.1.5

Принимая во внимание все выше сказанное, было принято решение для получения точного гармонического сигнала формировать отсчеты с помощью вычислений, причем чтобы исключить накопление шумов квантования вычисления производятся с помощью прямой формулы (y(n)= Acos(2πfnT), где f – частота, Т – интервал дискретизации), а не рекурсивной. Вычисления отсчетов в реальном масштабе времени (т.е. одновременно с генерацией сигнала) требуют достаточно быстродействующего, а, следовательно, и дорогого, микропроцессора. Поэтому принято решение перед началом генерации вычислять массив отсчетов подлежащего генерации сигнала и записывать его в оперативное запоминающее устройство. Требования к системе позволяют применить данный способ формирования сигнала. Размер массива рассчитывается таким образом, чтобы в него укладывалось не менее одного периода, подлежащего генерации сигнала. Генерация сигнала производится периодическим повторением вычисленного фрагмента.

Оценим необходимый размер буфера для массива отсчетов, подлежащего генерации сигнала. Из курса теории сигналов, известно, что импульсный периодический сигнал имеет дискретный спектр. Спектр периодического сигнала представлен на рисунке 1.1.6.

Рисунок 1.1.6

Т_п – период повторения сигнала

F – частота основного тона равная 1/ Т_п

Спектр периодического сигнала содержит только гармоники с частотой кратной частоте основного тона. Частота основного тона обратнопропорциональна периоду сигнала. Согласно техническому заданию шаг изменения частоты 1 Гц. Периодический сигнал обладающий этим свойством должен иметь период повторения равным одной секунде. Размер массива отсчетов, подлежащего генерации сигнала, связан с периодом дискретизации. Частота дискретизации является количеством отсчетов необходимых для генерации единицы времени сигнала (одной секунды). В подобных системах частота дискретизации выбирается по теореме Котельникова (Частота дискретизации должна быть больше чем удвоенная верхняя частота дискретизируемого сигнала). Стандартная частота дискретизации 48 кГц полностью удовлетворяет условиям теоремы Котельникова.

Таким образом, для генерации сигнала необходим буфер содержащий не менее 48000 отсчетов сигнала (48000*16 бит= 93,75кБайт).

Подлежащий генерации сигнал изначально является последовательностью дискретных отсчетов в двоичном коде. Разрядность двоичного кода и частота дискретизации определяет точность представления аналогового сигнала. Данная последовательность двоичных отсчетов с частотой дискретизации поступает на цифроаналоговый преобразователь, который каждый период частоты дискретизации выдает напряжение, пропорциональное поступившему на его вход двоичному числу. Максимально возможное напряжение, которое может быть получено на выходе цифроаналогового преобразователя определяется опорным напряжением, поданным на него, и ограничивается только паспортными характеристиками. Таким образом, на выходе цифроаналогового преобразователя получается сигнал ступенчатой формы, для сглаживания которого применяют фильтры низкой частоты. На рисунке 1.1.7 слева изображено напряжение на выходе ЦАП а справа – напряжение с выхода ЦАП прошедшее через ФНЧ.

Рисунок 1.1.7

где U – напряжение

t - время

Данный фильтр должен пропускать без ослабления сигналы звуковой частоты с 20 до 20000 Гц и ослаблять высокочастотный шум, вносимый цифро-аналоговым преобразователем. Обычно используют фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя различных порядков. Частоту среза данных фильтров при расчете берут большей, чем 20кГц, так как на частоте среза фильтра мощность сигнала ослабляется в 2 раза, а нам необходимо пропустить сигналы звуковой частоты без ослабления. Фильтр Баттерворта имеет плавно спадающую к верхним частотам АЧХ, крутизна, которой увеличивается при увеличении порядка фильтра. Фильтр Чебышева имеет равновеликие пульсации либо в полосе пропускания, либо в полосе затухания, величина которых зависит от порядка фильтра. Вид фильтра выбирают исходя из конкретных требований к изделию и применяемых технических решений. После фильтра получается плавно изменяющееся напряжение звуковой частоты.

Достижения цифровой техники позволяют в настоящее время всего на нескольких микросхемах построить высококачественный, дешевый и надежный генератор, обладающий широкими возможностями формирования сигналов.

1.2 Разработка структурной схемы измерителя

Исходя из требований технического задания, в состав изделия входят следующие устройства:

- персональный компьютер;

- интерфейс RS232;

- микропроцессор;

- блоки памяти;

- АЦП и ЦАП;

- источники питания.

Для удобного управления ходом измерений и отображения результатов измерений в удобном для пользователя виде, а также для проведения вычислений на компьютер необходимо установить соответствующее, специально написанное для этих целей, программное обеспечение. Для связи персонального компьютера с блоком измерителя необходим интерфейс RS232. Через этот интерфейс будет осуществляться передача команд от ПЭВМ (Персональная электронно-вычислительная машина) к блоку измерителя и получение ответов и выборки сигнала от блока. Таким образом, осуществляется управление процессом измерений. Для управления блоком измерителя и формирования сигналов, подлежащих генерации, в двоичном виде необходим микропроцессор. Микропроцессор будет функционировать в соответствии с программой записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Для хранения данных в процессе работы микропроцессору необходимо оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для приема данных из интерфейса RS232 и передачи данных через данный интерфейс необходимо устройство сопряжения интерфейса RS232 и микропроцессора. Данное устройство должно состоять из преобразователя стандартных уровней сигналов интерфейса RS232 (-12В и +12В) в уровни ТТЛ (Транзисторно-транзисторная логика) (0В и +5В). Далее последовательный код, используемый интерфейсом RS232, должен быть преобразован в параллельный для возможности передачи полученных через интерфейс RS232 байт по шине данных в микропроцессор и наоборот. Для формирования аналогового сигнала из дискретного двоичного сигнала, сформированного процессором, используется цифроаналоговый преобразователь. Для получения двоичной выборки аналогового сигнала используется аналого-цифровой преобразователь. Для управления амплитудой генерируемого сигнала и затухания входного сигнала, а также подключения (отключения) выхода генератора к входу анализатора используется устройство коммутации и аттенюации. Периодически подключая выход генератора измерителя к входу анализатора, осуществляется проверка работоспособности изделия. Для коммутации используются реле. Управление реле осуществляется уровнями ТТЛ, поступающими с регистра управления, которые служат для запоминания состояния измерителя. В качестве аттенюаторов используются ЦАПы (Цифро-аналоговый преобразователь). Данный ЦАП упрощенно можно представить в виде двух прецизионных резисторов R1 и R2, причем R2 перестраивается входным цифровым сигналом, поступающим на ЦАП, с высокой точностью. Если включить данные два резистора вместе с внешним операционным усилителем, как показано на рисунке 1.2.1, то получается схема с управляемым цифровым сигналом усилением, где коэффициент усиления равен отношению величин сопротивлений R1 и R2, которое в свою очередь определяется управляющим цифровым сигналом, поступающим на ЦАП.

Рисунок 1.2.1

Управляя затуханием (усилением) входного сигнала с помощью ЦАП, добиваемся такого размаха сигнала, который обеспечивал бы максимальное использование динамического диапазона АЦП (Аналого-цифровой преобразователь), включенного сразу после устройства коммутации и аттенюации. Максимальное использование динамического диапазона позволяет получить наилучшую точность определения амплитуды входного сигнала.

Для функционирования всех элементов данного устройства необходим источник питания. Поскольку данное устройство будет эксплуатироваться в помещениях, а основным источником питания в помещениях является электрическая сеть с переменным напряжением 220В 50Гц, блок питания данного устройства должен обеспечивать преобразование данного напряжения. В проектируемом устройстве для питания большинства микросхем необходимо постоянное напряжение 5В. В схеме присутствуют операционные усилители, для питания которых используется разно полярное напряжение. Для обеспечения необходимого динамического диапазона генерируемых и анализируемых сигналов напряжение питания операционных усилителей должно быть +15В и –15В. Таким образом для функционирования проектируемого устройства необходим блок питания, преобразующий переменное напряжение 220В 50Гц в постоянное напряжение +5В, +15В и –15В.

Структурная схема измерителя показана на рисунке 1.2.2

Рисунок 1.2.2

1.3 Разработка электрической принципиальной схемы процессорного блока

1.3.1 Разработка состава схемы процессорного блока

Микропроцессорный блок осуществляет управление измерителем в целом и обменом данными с ПЭВМ. Поэтому в состав схемы микропроцессорного блока входит, прежде всего, ЦПОС (Цифровой процессор обработки сигналов). Для обеспечения сброса микропроцессора, необходимо на вывод RST микропроцессора подать нулевой сигнал в течение 10 тактов. Это можно осуществить с помощью специальной микросхемы сброса. Значит, в состав схемы проектируемого устройства надо включить одну такую микросхему. Для тактирования микропроцессора будем использовать генератор тактовой частоты. Для хранения программы микропроцессора нужна микросхема ПЗУ. Для хранения команд полученных от ПЭВМ и формирования ответов необходима микросхема ОЗУ. Для преобразования уровней сигналов RS232 (+12В..-12В) в уровни ТТЛ (0..+5В) с которыми работают цифровые микросхемы измерителя, необходима микросхема преобразователя уровней. После выполнения преобразования уровней, необходимо последовательный код интерфейса RS232 преобразовать в параллельный, для возможности передачи по шинам данных процессора и микросхем памяти. Данное преобразование осуществляет микросхема универсального синхронно-асинхронного приемо-передатчика (УСАПП). Тактовая частота работы УСАПП определяется кварцем. Поскольку микросхемы ПЗУ, ОЗУ и УСАПП находятся в одном адресном пространстве, для выбора определенной микросхемы, работающей в данный момент на шину данных, используются сигналы выбора микросхемы (CS – chip select). Эти сигналы формируются тремя старшими адресами шины адреса микропроцессора с помощью дешифратора. Три комбинации сигнала шины адреса преобразуются в шесть сигналов выбора микросхемы. Для подачи питания на измеритель используется разъем. Так как питающее напряжение измерителя +5В, +15В и -15В, разъем нужен на четыре контакта. Для тактирования ЦАП и АЦП необходима частота 12.5МГц, получаемая делением частоты тактового генератора микропроцессора 50МГц на 4 с помощью четырехразрядного счетчика.

1.3.2 Выбор микропроцессора

Главным компонентом процессорного блока является микропроцессор. В настоящее время выпускается большое количество микропроцессоров с различными характеристиками. В основном микропроцессоры производятся за рубежом. В системах цифровой обработки сигналов и управления в реальном масштабе времени применяют специализированные цифровые процессоры обработки сигналов . Реальный масштаб времени подразумевает, что время обработки очередной выборки сигнала меньше периода получения выборок.

Современные цифровые процессоры обработки сигналов являются сложными устройствами с большими возможностями. Фирмы-производители ЦПОС выпускают большое количество самых разнообразных процессоров с различными характеристиками. ЦПОС используются в самых различных областях, начиная с применений в устройствах радиолокации и заканчивая бытовыми приборами. Естественно, не существует идеального процессора для всех областей применений. Для каждой из них при реализации различных алгоритмов ЦОС оказываются важными те или иные характеристики процессоров. Рассмотрим характеристики ЦПОС, которые важны при выборе процессора для конкретной разработки и обычно приводятся в различных таблицах для сравнения.

Тип арифметики. Форма представления данных с плавающей или с фиксированной точкой. Процессоры с фиксированной точкой (ФТ) и плавающей точкой (ПТ) отличаются способностью обрабатывать сигналы и данные, использующие соответствующие формы представления. При этом следует иметь в виду, что все процессоры с ПТ имеют набор команд для обработки данных как с ФТ. Так и с ПТ, т. е. Являются в этом смысле универсальными.

С другой стороны, в процессорах с ФТ всегда можно организовать обработку данных с ПТ, но программным образом. Соответствующие программы преобразования и обработки данных требуют достаточно много времени для выполнения. Основные преимущества процессоров с ПТ:

- при использовании 32 разрядов и ПТ существенно повышается точность внутреннего представления данных;

- существенно расширяется возможный динамический диапазон сигналов и данных;

- при использовании процессоров с ПТ снимается проблема масштабирования данных с целью избежать переполнения при выполнении различных операций.

Достоинства процессоров с ПТ приводят к тому, что при их использовании построение системы ЦОС становится более легким и быстрым.

Разрядность данных. Все обычные ЦПОС с плавающей точкой используют слово данных длиной в 32 бита. Для ЦПОС с фиксированной точкой обычный размер слова данных = 16 битов. ЦПОС фирмы Motorola применяет слово данных в 24 бита. Большинство процессоров допускают обработку с двойной точностью.

Быстродействие. Одним из самых важных параметров с точки зрения конкретных применений является быстродействие процессора. Для характеристики быстродействия используют различные параметры, однако все они определяют только конкретные стороны проблемы. Реальнее характеризует быстродействие системы время решения различных реальных задач и тестов.

Тактовая частота работы процессора и связанное с ней время командного цикла. Как правило, при описаниях процессоров обычно указывается внешняя тактовая частота, подаваемая на процессор. Она может отличаться от внутренней частоты работы из-за наличия системы деления или умножения частоты. Для последних процессоров, в которых внешняя частота может изменяться в широких пределах, чаще указывают внутреннюю частоту работы процессора.

Время командного цикла связано с внутренней частотой работы процессора. Так как отдельная операция в процессоре может выполняться как за несколько циклов, так и за один, время командного цикла является самой неоднозначной характеристикой быстродействия процессора. К тому же, в некоторых процессорах используется параллельное выполнение команд и параллельная работа нескольких операционных модулей. Поэтому время цикла полностью не характеризует реально выполняемую процессором работу.

Количество миллионов команд, выполняемых за секунду MIPS (Million instructions per second). В ЦПОС используются различные команды, в том числе комбинированные, в соответствии с которыми одновременно выполняется несколько операций. Кроме того, существуют процессоры с несколькими АЛУ (Арифметико-логическое устройство) в которых применяются длинные команды, а так же процессоры с архитектурой VLIW (Very large instruction word). Таким образом одной команде в разных процессорах соответствует различная выполняемая работа. Поэтому характеристика MIPS неоднозначно определяет быстродействие процессора.

Количество миллионов операций за секунду MOPS (Millions operations per second). Эта характеристика более однозначно, по сравнению с другими, характеризует быстродействие, т. к. учитывает выполнение параллельных команд и одновременную работу нескольких операционных модулей. Однако нет стандартного определения операции. Иногда к выполняемым операциям относят и выборки команд, и запись в память полученных результатов.

Количество миллионов операций с плавающей точкой за секунду VFLOPS (Millions of floating-point operations per second). Эта характеристика используется в процессорах с плавающей точкой. К ней относится все сказанное относительно MOPS.

Количество операций MAC в единицу времени. Возможный путь определения производительности состоит в выборе единой простой операции для целей сравнения. Для прикладных программ ЦОС естественным является выбор операции умножения-накопления MAC, которая является основной для алгоритмов ЦОС.

Объем и разновидности внутренней памяти (ROM, OTP ROM, RAM, Flash, кэш). Эти характеристики определяют многие параметры и возможности разрабатываемой системы. Наличие памяти типа ROM (ПЗУ, программируемого при изготовлении процессора) позволяет заказывать ЦПОС с записанной программой работы системы. Такой вариант использования ЦПОС экономически оправдан при крупносерийном производстве. Память типа OTP ROM (One time programmable ROM, однократно программируемое ПЗУ) позволяет моделировать и тестировать систему при отработке программного обеспечения, а также изготавливать единичные и мелкосерийные образцы. Память типа Flash позволяет неоднократно перезаписывать программу и данные в процессоре, в том числе и на рабочем месте, т. е. Непосредственно на изготовленной плате системы. Объем и разновидности памяти типа RAM определяют возможности построения системы без использования внешней памяти, как для хранения данных, так и загружаемой программы.

Объем адресного пространства памяти определяется разрядностью шины адреса и характеризует возможный общий объем памяти, используемой в системе.

Количество и разновидности портов последовательного ввода информации определяют возможности системы с точки зрения связи с различными внешними устройствами.

Внутренние периферийные устройства. Используемые в ЦПОС периферийные устройства можно условно разделить на устройства общего применения (типа таймеров) и проблемно-ориентированные устройства (кодеки, компрессоры, сопроцессоры и т. д.). Последние облегчают построение специализированных цифровых систем.

Наличие и количество каналов DMA (Direct Memory Access). Прямой доступ к памяти позволяет общаться с внешними устройствами, в том числе записывать отсчеты входного сигнала (выводить полученные отсчеты выходного сигнала) без использования ресурсов и затрат времени ЦПОС. Это очень эффективная особенность, облегчающая построение высокопроизводительных систем.

Напряжение питания и потребляемый ток. Характеристики процессора, особенно важные при построении переносимых систем с батарейным питанием. С этими характеристиками связан такой показатель, как потребляемая мощность. Следует отметить, что потребляемая мощность существенно зависит от выполняемой программы и как правило, не приводится.

Многие производители предлагают низковольтовые (3,2 В, 2,5 В или 1,8 В) версии процессоров, которые потребляют гораздо меньше мощности, чем пятивольтовые эквиваленты при той же производительности.

Процессор может работать в различных режимах, в том числе в режиме ожидания (Idle), при нахождении в котором ряд внутренних модулей отключается и не потребляет энергии. Поэтому потребляемый ток иногда приводят для различных режимов работы.

Многие современные процессоры с пониженным напряжением питания используют различное напряжение для ядра процессора и периферийных устройств. Некоторые ЦПОС позволяют программно отключать неиспользуемые периферийные устройства.

Комбинированные относительные показатели типа «мощность-ток-быстродействие». Естественным свойством любых электронных устройств, в том числе и ЦПОС, является повышение потребления мощности при увеличении быстродействия. Поэтому многие фирмы в качестве показателя эффективности процессора используют удельные относительные показатели потребления энергии или тока, отнесенные к некоторой единице быстродействия, например показатель ma/MIPS. Иногда в такие удельные показатели включают и стоимость процессора.

Наличие различных средств и информационных ресурсов сопровождения разработки. Виды сопровождения разработки цифровой системы на конкретном процессоре могут быть самые разнообразные( наличие и состав пакетов программного обеспечения разработки, наличие и состав средств отладки систем, наличие и доступность документации, информационная поддержка, существование библиотек стандартных программ и математических функций, наличие совместимых с процессором устройств преобразования данных АЦП, ЦАП).

Выбор процессора для конкретной разработки целиком определяется назначением разрабатываемой системы.

В процессе поиска микропроцессоров были найдены следующие виды ЦПОС, представленные в таблице 1.3.2.1

Таблица 1.3.2.1

Из данной таблицы следует, что наиболее предпочтительным для использования является процессор TMS320C31, поскольку он обладает достаточно высоким быстродействием, относительно малой потребляемой мощностью, широким адресным пространством внешней памяти и удобной для программирования архитектурой с ПЗ и 32 разрядными данными. Кроме того, процессоры серии TMS320C3x хорошо известны, в том числе, на российском рынке. Учитывая огромный накопившийся для этого процессора объем программного обеспечения, разработчики фирмы Texas Instruments воспроизвели это семейство на современной технологии (0,18 мкм вместо 0,65мкм), существенно улучшив его качественные показатели и одновременно снизив цену [3].

Таким образом, выбираю микропроцессор TMS320C31.

1.3.3 Выбор ПЗУ и ОЗУ

По функциональному назначению и областям применения запоминающие устройства (ЗУ) подразделяются на оперативные с произвольной выборкой информации (ОЗУ), применяющиеся, например, в основной памяти вычислительных машин, и постоянные ЗУ с программированием на стадии изготовления (ПЗУ) или пользователем (ППЗУ), предназначенные для хранения программ или для блоков микропрограммного управления вычислительных машин, генераторов символов, таблиц. Разновидностью ППЗУ являются ЗУ с перепрограммированием - так называемые репрограммируемые ЗУ (РПЗУ), применяемые для отладки программ, когда необходима многократная смена информации.

ОЗУ бывают статического и динамического типов. В динамических ЗУ информация хранится в виде электрического заряда на МОП-конденсаторе. Вследствие утечки накопленного заряда требуется его регенерация. Необходимость использования дополнительных схем регенерации и иногда трех источников питания с различным напряжением является недостатком схем данного типа. Однако благодаря большей степени интеграции и низкой стоимости ЗУ этого класса широко применяются в основной памяти вычислительных машин, в периферийных и буферных устройствах .

В отличие от ОЗУ динамического типа в запоминающей ячейке статических ОЗУ используются потенциальные триггеры. Поэтому для этих ОЗУ в регенерации необходимости нет. Для их работы, как правило, необходим только один источник питания.

Основным параметром для выбора микросхемы ПЗУ и ОЗУ является объем ее памяти. Поскольку программа, по которой работает микропроцессор, имеет объем 28К байт, микросхема памяти ПЗУ должна быть объемом 256М бит. В настоящее время микросхемы ПЗУ и ОЗУ производит большое количество фирм (AMD, Atmel, Microchip и т.д), причем параметры у них примерно одинаковые. В нашей стране основным критерием выбора микросхем является цена и наличие в продаже данного вида микросхем. В ходе поисков были найдены следующие микросхему ПЗУ, представленные в таблице 1.3.3.1.

Таблица 1.3.3.1

Поэтому в качестве ПЗУ выбираю микросхему AM27C256-200DC, которая имеет наиболее подходящие для проектируемой системы характеристики.

Поскольку микропроцессор TMS320C31 является 32 разрядным, для эффективной работа нужна микросхема ОЗУ с 32 разрядным словом данных. Поскольку статические ОЗУ стоят гораздо дороже динамических и, как правило, имеют небольшой объем памяти, для проектируемой системы целесообразно использовать ОЗУ динамического типа.

Оценим необходимый объем ОЗУ. Как было показано выше в разделе 1.1, для генерации сигнала необходим буфер объемом 93,75Кбайт. Кроме того, проектируемая система должна позволять определять частоту сигнала, подаваемого на ее вход, с погрешностью не более одного герца. Определение частоты сигнала будет осуществляться применением алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) к массиву оцифрованных отсчетов сигнала. После применения БПФ, частота наибольшего по значению отсчета сигнала и будет считаться частотой входного сигнала. Из курса теории сигналов известно, что продискретизированный с частотой Fд сигнал, а именно такой сигнал мы получаем с выхода АЦП, имеет периодический спектр с периодом равным частоте дискретизации. Применив БПФ к массиву N отсчетов сигнала, полученных с АЦП, получаем один период спектра сигнала (рисунок 1.3.3.1).

Рисунок 1.3.3.1

В полученном спектре сигнала содержится N гармоник. Гармоники отстоят друг от друга на расстоянии Fд/N. Кроме того для эффективного использования алгоритма БПФ необходима выборка сигнала с размером кратным степени двойки. Поскольку частота дискретизации выбрана 48000 Гц и точность определения частоты должна быть 1 Гц, размер выборки сигнала должен быть не менее 48000 отсчетов. Ближайшим к данному числу число, являющееся степенью двойки, равно 65536. У выборки сигнала размером 65536 отсчетов соседние гармоники в спектре отстоят на расстоянии 48000:65536=0,732 Гц, что удовлетворяет техническому заданию. Требуемый размер буфера для хранения этих данных равен 65536*16= 128 Кбайт.

Таким образом для работы данной системы необходим объем памяти не менее 128+93.75= 222.75Кбайт. При проектировании микропроцессорных систем рекомендуется выбирать объем памяти примерно в 2 раза больше необходимого, поэтому выбираю с запасом микросхему памяти объемом 512Кбайт.

В ходе поисков были найдены следующие микросхемы, представленные в таблице 1.3.3.2

Таблица 1.3.3.2

Наиболее подходящей является микросхема SRAM фирмы Alliance AS7S128K32.

1.3.4 Выбор дешифратора, счетчика и инвертора

Микропроцессор, являющийся основным элементом устройства, оперирует с сигналами ТТЛ уровня, поэтому дешифратор, счетчик и инвертор должны быть микросхемами ТТЛ. На сегодняшний день микросхемы ТТЛ практически полностью вытеснены микросхемами ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьерами Шоттки. Данные микросхемы обладают более высоким быстродействием. Данные микросхемы производятся той же фирмой Texas Instruments, что производит и микропроцессор TMS320C31, серия SN74LSxxxx.

Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиально-планарной технологии с диодами Шоттки и оксидной изоляцией, одно- и двухуровневой металлизированной разводкой на основе PtSi-TiW-AlSi.

В качестве инвертора выбираю микросхему 74LS04. Дешифратор нужен из 3 на 8. В этой серии имеет 2 вида дешифраторов 3 на 8: SN74LS138J(N) и SN74S138J(N). Но SN74LS138J(N) имеет мощность потребления меньше чем SN74S138J(N). Поэтому выбираю микросхему SN74LS138J(N).

Четырех разрядный счетчик предназначен для деления тактовой частоты 50МГц на четыре для тактирования АЦП и ЦАП. Двоичным 4х разрядным счетчиком, удовлетворяющим требованиям по частоте, является микросхема SN74S161J(N).

1.3.5 Выбор генератора тактовой частоты

Генератор служит для выработки тактовой частоты работы микропроцессора. С помощью элементов ТТЛ (буферных, И, ИЛИ) можно проектировать автогенераторы, у которых выходная частота колебаний превышает 30 МГц. Чтобы автогенератор быстро возбуждался и работал устойчиво во всем диапазоне внешних воздействий, лежащая в его основе усилительная линейка должна быть неинвертирующей с большим коэффициентом усиления, который по возможности следует стабилизировать. Простейший автогенератор получается из двух инверторов, но при этом значение коэффициента усиления невелико. Удобнее включить три или четыре элемент из микросхемы. На рисунке 1.3.5.1 показана схема автогенератора, в которой положительная обратная связь через конденсатор охватывает два элемента DD1.1 и DD1.2, причем DD1.1 выведен в линейный, усилительный режим с помощью резистора отрицательной обратной связи R1. Элемент DD1.3 применяется здесь как буферный, чтобы уменьшить влияния нагрузки на частоту автогенератора. Частота генерации равна одной трети произведения величин сопротивления и емкости.

Рисунок 1.3.5.1

Данная схема требует наличия дополнительных навесных элементов, обладает низкой надежностью, кроме того, из-за разбросов параметров сопротивления и емкости требуется их подбор. Поэтому для тактирования работы микропроцессора принято решение взять высокостабильный генератор тактовой часты QO105BIC 50MHz.

1.3.6 Выбор микросхемы сброса

Микросхемы супервизоров микропроцессоров/микроконтроллеров и других цифровых систем выполняют взросшее за последнее время количество функций. Кроме формирования сигнала сброса при подаче, пропадании и кратковременном снижении напряжения питания, организации бездребезгового ручного запуска сигнала сброса, микросхемы супервизоров организуют переключение критичных элементов системы на резервное питание, ведут мониторинг напряжения батарей. Они оснащаются встроенными сторожевыми таймерами и ключами подключения к резервному питанию.

Для надежного запуска микропроцессора после подачи напряжения питания и блокировки работы микропроцессора при понижении напряжения питания в схеме применена микросхема супервизора напряжения питания, удерживающая на своем выходе уровень логического нуля при напряжении питания меньшем определенного порога и недостаточном для функционирования микропроцессора. В процессе поиска было найдено достаточно большое количество данных микросхем, производимых различными фирмами (Mitsumi PST529D; Dallas Semiconductor DS1233-15; Analog Devices ADM705, Maxim MAX705 (супервизор питания с Watch Dog) и т. д.). Выбираю микросхему ADM705AN поскольку она наиболее часто встречалась в каталогах фирм, торгующих электронными компонентами.

1.3.7 Выбор микросхемы УСАПП

Микросхемы УСАПП в настоящее время производится многими фирмами и имеют практически одинаковые показатели качества. Поскольку большинство элементов, используемых в схеме является продукцией фирмы Texas Instruments, чтобы проще было оформлять заказ, я решил взять микросхему УСАПП производства этой же фирмы TL16C550CFN.

1.3.8 Выбор преобразователя уровней

В процессе поисков были найдены следующие микросхемы преобразователей уровня, представленные в таблице 1.3.8.1.

Таблица 1.3.8.1

Поскольку использование скоростей интерфейса RS232 больших чем 115200 бит в секунду не планируется, так как это максимально возможная скорость устанавливаемая на ПЭВМ, в проектируемой системе будет использована микросхема преобразователя уровней фирмы Analog Device AD242.

1.3.9 Описание электрической принципиальной схемы процессорного блока

Через разъем X1 в схему блока измерителя подается напряжение питания, питающее микросхемы и операционные усилители. Генератор DD2 предназначен для тактирования микропроцессора частотой 50МГц. Счетчик DD4 предназначен для деления опорной частоты на 4 для формирования сигнала тактирования ЦАП и АЦП. Микросхема DD1 предназначена для формирования сигнала сброса микропроцессора. Микросхема декодера DD7 предназначена для формирования из 3х линий старших адресов A19, A20, A21 сигналов выбора микросхемы памяти, УСАПП, записи в регистр, записи кода усиления в логарифмические ЦАП.

Разъем X2 используется для подключения провода интерфейса RS232. С разъема сигнал поступает на преобразователь уровней DD10 для преобразования уровней интерфейса RS232 (+12В..-12В) в уровни ТТЛ (0В..+5В). После преобразования уровня напряжений сигал поступает на микросхему УСАПП DD9. УСАПП осуществляет преобразование последовательного кода интерфейса RS232 в параллельный код. При поступлении на УСАПП очередного байта от ПЭВМ данная микросхема вырабатывает сигнал прерывания. На процессоре входы прерываний являются инверсными поэтому сигнал прерывания от УСАПП подключается к входу прерываний процессора через инвертор DD5. Для тактирования УСАПП используется кварцевый резонатор ZQ1 включенный вместе с конденсаторами С1 и С2.

Микропроцессор DD3 является ядром системы. Он работает по программе записанной в ПЗУ DD6. Для хранения промежуточных данных и т.п. используется микросхема ОЗУ DD8.

1.4 Разработка электрической принципиальной схемы блока формирования и управления

1.4.1 Разработка состава блока формирования и управления

Блок формирования и управления предназначен для генерации заданного сигнала, оцифровки входного сигнала и коммутации входных и выходных цепей. Для формирования аналогового сигнала из двоичного кода используется ЦАП. Для регулировки амплитуды входного и выходного сигнала также используется ЦАП, но другого типа. Затухание (усиление) входного сигнала, которого зависит от двоичного кода, поданного на входы данных этого ЦАП. Для преобразования аналогового сигнала в двоичный код и передачи его в микропроцессор используется АЦП. Для коммутации входных и выходных цепей используются реле. Управление реле осуществляет регистр, в который записывается текущее состояние блока измерителя. Также для работы схемы используются операционные усилители.

1.4.2 Выбор ЦАП

В процессе поисков были обнаружены следующие цифро-аналоговые преобразователи, представленные в таблице 1.4.2.1.

Таблица 1.4.2.1

Из приведенной таблицы следует, что наиболее предпочтительным для использования в проектируемом устройстве является ЦАП производимый фирмой Crystal Semiconductor CS4390. К тому же данный ЦАП имеет последовательный интерфейс, позволяющий напрямую подключить данный ЦАП к последовательному порту микропроцессора. Поэтому была выбрана микросхема CS4390.

1.4.3 Выбор АЦП

В процессе поисков подходящих АЦП для проектируемой системы, были найдены следующие микросхемы АЦП, приведенные в таблице 1.4.3.1.

Таблица 1.4.3.1

Из приведенной таблицы видно, что наилучшими характеристиками для проектируемой системы обладает АЦП фирмы Crystal Semiconductor CS5360. Разрядность N= 16 данного АЦП позволяет определять напряжение сигнала с точностью

До DU= 76×10^-6 В определять амплитуду сигнала, что удовлетворяет условиям технического задания, а наличие последовательного цифрового интерфейса позволяет наиболее простым способом подключить данную микросхему к микропроцессору. Выбираю микросхему CS5360.

1.4. 4 Выбор аттенюирующего ЦАП

Аттенюирующий ЦАП используется для управления амплитудой генерируемого сигнала и регулирования амплитуды входного сигнала. Необходимость регулирования амплитуды входного сигнала, поступающего на АЦП, обусловлена необходимостью определения амплитуды входного сигнала с максимально возможной точностью. Этого можно добиться, если перед оцифровкой входного сигнала АЦП входной сигнал усилить таким образом, чтобы он занимал весь динамический диапазон АЦП. Исходя из этих соображений и следует выбирать аттенюирующий ЦАП.

Из технического задания следует, что максимальный уровень входного сигнала равен +16 дБ (относительно 0,775 В). Преобразовав по общеизвестной формуле

уровень в напряжение, получил, что максимальная амплитуда напряжения равна 4,88 В. Соответственно минимальный уровень напряжения из технического задания равен –30 дБ или 0,0245В.

Поскольку максимальный уровень напряжения который может быть подан на выбранный АЦП составляет 5В, следовательно аттенюирующий ЦАП должен пропускать без затухания максимальный уровень входного сигнала и усиливать минимальный приблизительно до 5В.

Определим минимально необходимый динамический диапазон усиления входного сигнала. Данная величина вычисляется по общеизвестной формуле:

Подставив в данную формулу максимальное(5 В) и минимальное(0,0245 В) напряжение получил, что минимальный динамический диапазон D равен 46дБ. Поскольку для оцифровки сигнала в хорошем качестве необходимо чтобы сигнал занимал не менее 95 процентов динамического диапазона АЦП, шаг перестройки аттенюирующего ЦАП должен быть не более DU= (1-0,95)*5В= 0,25В. Шаг перестройки связан с разрядностью ЦАП. Таким образом разрядность данного ЦАП должна быть не менее N=max(log₂ (U_max /DU))=5.

В ходе поисков были найдены следующие, пригодные для аттенюации ЦАП, представленные в таблице 1.4.4.1.

Таблица 1.4.4.1

Наиболее подходящим является ЦАП фирмы Analog Device AD7112. Таблица ослабления (усиления) сигнала в зависимости от поданного на ЦАП кода приведена в приложении 1.

1.4. 5 Выбор регистра

Поскольку большинство используемых элементов производится фирмой Texas Instruments, был выбран регистр производства данной фирмы. Так как в схеме используются три группы реле, управляющие коммутацией (первая – для управления подачей сигнала генератора в анализируемую цепь, вторая – для управления подключением анализатора, третья – для управления подачей сигнала генератора на анализатор напрямую, минуя анализируемую цепь), для управления достаточно 4х разрядного регистра. Выбираю регистр фирмы Texas Instruments 74LS194A.

1.4. 6 Выбор операционного усилителя

В процессе поисков операционных усилителей были найдены следующие микросхемы, представленные в таблице 1.4.6.1.

Таблица 1.4.6.1

Из таблицы видно, что наилучшими характеристиками обладает операционный усилитель фирмы Maxim. Кроме того одна микросхема этой фирмы содержит четыре операционных усилителя, что позволяет сократить количество используемых в изделии микросхем и тем самым повысить общую надежность устройства. Поэтому была выбрана микросхема операционного усилителя фирмы Maxim MAX475CPD/MXM.

1.4.7 Выбор реле

Для коммутации входных и выходных цепей необходимы реле. Поскольку скорость коммутации в проектируемом устройстве невелика, можно использовать электромеханические реле (катушка индуктивности управляет контактами ключа), которые обеспечивают наилучшую линейность передачи сигналов большой и малой амплитуды. В ходе поисков электронных компонентов были найдены следующие элементы, представленные в таблице 1.4.7.1

Таблица 1.4.7.1

Из приведенных данных видно, что целесообразнее всего применить реле DIP0,5-1A72, так как оно имеет наименьшую потребляемую мощность и удовлетворяет характеристикам проектируемого устройства.

1.4.8 Расчет параметров элементов ФНЧ для устранения внеполосного шума ЦАП

В руководстве по использованию ЦАП CS4390 указана необходимость использования фильтра нижних частот на выходе ЦАПа из-за достаточно высокого уровня внеполосного шума производимого данным ЦАПом. Спектр выходного шума показан на рисунке 1.4.8.1

Рисунок 1.4.8.1

где Fд – частота дискретизации

Рекомендуемые применения ЦАП компании Crystal требуют двухполюсный фильтр для снижения внеполосного шума. На рисунке 1.4.8.2 представлена схема данного фильтра [2].

Рисунок 1.4.8.2

В [2] приведен порядок проектирования данного вида фильтров. Он включает в себя следующие шаги:

1.Определяется требуемое среднеквадратическое значение сигнала в полосе пропускания фильтра, Но. Данная величина берется со знаком минус вследствие инвертирующей конфигурации включения операционного усилителя в составе фильтра.

2.Выбирается желаемый тип фильтра, Баттерворта, Бесселя и т. д. и частота среза для окончательного проектирования. Частота среза определяет полосу частотной и фазовой характеристик фильтра. Тип фильтра определяет коэффициенты α и β, необходимые для проектирования. В таблице 1.4.8.1 показаны коэффициенты для нескольких типов фильтров.

Таблица 1.4.8.1

3.Выбираются стандартные значения для С5 и С2. Эти значения используются на четвертом шаге и должны быть выбраны таким образом, чтобы значение

было действительным. Где К=С5/С2.

4.По данным Fc, Но, С2, С5, α, β, вычисляются R1, R3, R4, используя следующие формулы. Но будет отрицательным из-за инверсного включения операционного усилителя.

5.Рекомендуется, чтобы R1 было минимум 10кОм. Это рекомендовано производителями данного ЦАП. Тем не менее, значения большие 10кОм приводят к малым значениям емкостей (десятки пикофарад) которые становятся соизмеримыми с паразитными емкостями схемы. Возможно будет необходимо немного изменить значения емкостей, выбранных на третьем шаге.

6.Значения величин сопротивлений, вычисленных на четвертом шаге, обычно не принадлежат стандартному ряду величин сопротивлений. Надо выбрать стандартные значения, которые наиболее близко приближены к вычисленным. Это не должно сделать большие изменения в характеристиках фильтра с тех пор как стали доступными резисторы с примерно 2,5 процентным приращением значения номинала. Это позволяет выбирать резисторы со значениями достаточно близкими к вычисленным значениям.

Произвожу расчет параметров фильтра. Поскольку желаемый выходной уровень сигнала в полосе пропускания 2В, Н_о = -2. Выбираю двухполюсный фильтр Баттерворта с частотой среза 50 кГц. Данный фильтр уменьшает амплитуду сигнала на частоте 20 кГц примерно на 0.1 дБ и имеет почти идеальную линейную фазовую характеристику в полосе звуковых частот.

F_c = 50 кГц

a= 0.7071

b= 0.7071

Выбираю стандартные значения для С2 и С5.

С2= 150 пФ

С5= 1000 пФ

По заданным a, b, Н_о, F_{c ,} С2, С5 вычисляются значения R1, R3, R4.

R1= 9.875 кОм

R3= 3.42 кОм

R4= 19.75 кОм

Выбираю стандартные значения наиболее близкие к вычисленным

R1= 10 кОм

R3= 3.4 кОм

R4= 20 кОм

Таким образом, к выходу ЦАП будет подключен фильтр с параметрами:

С2= 150 пФ

С5= 1000 пФ

R1= 10 кОм

R3= 3.4 кОм

R4= 20 кОм

Поскольку в проектируемом изделии используется ЦАП с парафазным выходом (в системах передачи звукового сигнала используется парафазный сигнал для компенсации воздействия помех), к рассчитанному фильтру необходимо добавить на не инверсный вход операционного усилителя точно такую же ветвь что находится на инверсной. На рисунке 1.4.8.3 изображен полученный фильтр.

Рисунок 1.4.8.3

Данный фильтр подключается к выходу цифро-аналогового преобразователя.

1.4.9 Описание принципиальной схемы блока формирования и управления

Из последовательного порта микропроцессора по шине в ЦАП DD11 поступает последовательный код. На вход SDAT поступают числа, подлежащие цифро-аналоговому преобразованию с выхода DX0 микропроцессора. На вход SCLK поступает сигнал синхронизации битов поступающих на вход SDAT с выхода CLX0 микропроцессора. На вход LRCK поступает сигнал кадра данных с выхода FSX0 микропроцессора. На вход MCLK поступает сигнал высокой частоты, с которой работает ЦАП. Данный сигнал получается делением на 4 опорной частоты микропроцессора с помощью счетчика. Поскольку проектируемое устройство будет генерировать моносигнал, у ЦАПа, предназначенного для формирования стерео аудио сигнала, используется только выход левого канала. С выхода левого канала ЦАПа сигнал поступает на активный ФНЧ, построенный на операционном усилителе DA1.1, резисторах R1, R2, R3, R4, R5, R6 и конденсаторах C7, C8, C9, C10. После фильтрации сигал поступает на логарифмический ЦАП DD13, предназначенный для регулирования уровня выходного сигнала. Степень ослабления выходного сигнала регулируется записью по входам D0..D7 кода ослабления. Запись осуществляется при подаче низкого уровня на вход WR микросхемы. Работа данной микросхемы осуществляется с помощью внешнего операционного усилителя DA13. Далее сигнал поступает на цепи «Прямой сигнал» разъема X3. Для формирования инверсного сигнала используется операционный усилитель DA2.2 и резиcторы R16, R18 и подстроечный резистор R12 для уравнивания амплитуд сигналов прямого и инверсного канала.

Регистр DD12 используется для запоминания состояния коммутации цепей. Коммутируются цепи с помощью реле K1..K6.

С контактов разъема X4 входной сигнал поступает на суммирующую схему операционного усилителя DA1.2 через конденсаторы С11 и С 12, необходимые для устранения постоянной составляющей сигнала. Далее сигнал поступает на ЦАП DD14 аналогичный тому, что стоит в канале генерации и предназначенный для регулирования амплитуды входного сигнала.

Поскольку после регулирующего уровень ЦАПа сигнал является двуполярным, а АЦП DD15 работает с однополярным сигналом с амплитудой в пределах 5В, сигнал надо поднять. Для этого используется суммирующая схема на основе операционного усилителя DA2.3. Опорный сигнал для суммирования (на сколько надо поднимать входной сигнал) поступает с выхода CMOU АЦП. Поскольку в документации на данный АЦП указано, что данный выход имеет низкую нагрузочную способность, данный выход подключается через буферную схему на основе операционного усилителя DA2.1. Для формирования парафазного сигнала, с которым работает АЦП (данный АЦП спроектирован специально для использования в звуковых системах и поэтому имеет парафазный вход) DD15, используется схема инверсии сигнала на основе операционного усилителя DA2.4 с резисторами R21, R22 и построечным резистором R20. Построечный резистор используется для уравнивания амплитуд прямого и инверсного канала парафазного сигнала. После аналого-цифрового преобразования входного сигнала, осуществляемого АЦПом DD15, последовательный код передается в последовательный порт микропроцессора. С выхода SDAT последовательность бит поступает на вход DR0 микропроцессора. Для синхронизации каждого бита используется сигнал с выхода SCLK, который подается на вход CKR0 микропроцессора. Для синхронизации кадров используется сигнал LRCK, который подается на вход FSR0 микропроцессора.

Для фильтрации напряжения питания подаваемого на микросхемы применяются конденсаторы С13..С29.

Таким образом, осуществляется формирование выходного сигнала, управление выходными цепями и оцифровка входного сигнала.

1.5 Разработка алгоритма работы измерителя

В данном разделе будет описан укрупненный (без упоминания мелких деталей) алгоритм функционирования блока измерителя.

После подачи питания на блок измерителя, необходимо инициализировать как сам процессор, так и всю периферию, которой он управляет. В процессоре устанавливаются в нужное состояние регистры, определяющие работу последовательного порта ввода вывода, выделяется память в ОЗУ под стек, под буфер для команды, полученной от ПЭВМ и ответа, ожидающего отправления на ПЭВМ и т.д. После инициализации из неопределенного состояния блок переходит в определенное, необходимое, заранее заданное.

Поскольку пользователь управляет процессом измерений с помощь ПЭВМ, главным процессом в работе измерителя будет диалог с ПЭВМ через интерфейс RS232. Данный диалог будет строиться по принципу команда-ответ. Пользователь на ПЭВМ с помощью интерфейсных элементов программы формирует необходимую конфигурацию проведения измерений (подключение или отключение генератора от входа канала, подключение генератора прямо к анализатору и т.п.). Пользователь также имеет возможность задавать параметры генерируемого сигнала. Сигнал, подлежащий генерации, виде набора дискретных двоичных отсчетов включается в команду. Программа на ПЭВМ преобразует данную информацию в двоичный код, который и составляет команду для блока измерителя. Поскольку сформированная команда может достигать больших размеров, перед передачей она режется на пакеты, а затем на приемной стороне склеивается в целую команду. Каждый пакет содержит контрольную сумму для повышения надежности передачи информации. При разработке алгоритма обмена блока с ПЭВМ через интерфейс RS232 была использована модель OSI (Open System Interconnection), рекомендованная международным комитетом.

Поэтому после инициализации блок измерителя переходит в состояние ожидания команды от ПЭВМ, которая определит дальнейшее поведение блока. Инициализация начала обмена ПЭВМ с блоком измерителя происходит записью определенного заранее заданного байта в интерфейс RS232. Получив данный байт, блок измерителя переходит в состояние ожидания первого пакета, имеющего фиксированную длину, заданную константой и известной как блоку измерителя так и программе на ПЭВМ. Полученный первый пакет в своем составе, кроме контрольной суммы, содержит и длину следующего за ним пакета. Таким образом, блок измерителя знает, сколько байт он получит из интерфейса RS232 в следующий раз. Если длинна следующего пакета равна нулю, это означает, что данный полученный пакет является последним, и передача команды завершена.

Получив команду, блок измерителя начинает ее анализ, чтобы определить, что надо в соответствии с этой командой делать. Анализ заключается в сопоставлении полей структуры команды, определяющих ее назначение, с заранее заданным двоичным кодом, записанным в памяти программ микропроцессора. Анализ команды заканчивается когда процессор идентифицирует полученную команду.

После анализа команды, блок начинает ее исполнять. Если была получена команда на генерацию сигнала, микропроцессор читает из оперативного запоминающего устройства фрагмент, подлежащий генерации, и через последовательный порт передает его на цифро-аналоговый преобразователь. Сигнал формируется периодическим повторением заранее вычисленного фрагмента сигнала. Периодически, для проверки работоспособности устройства, поступает команда на подключение выхода генератора ко входу анализатора прямо, минуя анализируемый канал. При обнаружении отсутствия сигнала выдается соответствующее сообщение оператору о неисправности блока измерителя. Далее в зависимости от результатов исполнения команды формируется ответ для ПЭВМ, в котором указывается: была ли команда исполнена или не была или была исполнена не полностью.

После этого блок измерителя переходит в состояние ожидания дальнейших распоряжений от ПЭВМ. И данный цикл повторяется в течение всего времени работы изделия до отключения питания.

На рисунке 1.5.1 изображен общий алгоритм работы блока измерителя.

Рисунок 1.5.1

1 .6 Расчет потребляемой устройством мощности

Расчет потребляемой мощности производится суммированием мощностей, потребляемых каждой микросхемой устройства. Расчеты приведены в таблице 1.6.1.

Таблица 1.6.1

Таким образом, мощность, потребляемая проектируемым устройством, равна 6 Вт.

1.7 Расчет надежности измерителя

Надежность – очень важная техническая характеристика радиоэлектронного устройства. При низкой надежности невозможна эффективная работа данного устройства. Если изделие часто ломается, требует постоянного ремонта, то изготавливать данное устройство нецелесообразно. Данная проблема стоит очень остро в современной радиоэлектронике. Из-за постоянно растущих требований к радиоэлектронному оборудованию, радиоэлектронные приборы являются очень сложными и состоят из множества элементов. С ростом количества используемых в изделии элементов пропорционально снижается надежность данного устройства. Первые ЭВМ, сделанные на огромном количестве транзисторов, большую часть времени ремонтировались, а не работали.

Поскольку работоспособность изделия зависит от огромного множества факторов, учесть все из которых не представляется возможным, надежность изделия определяется вероятностными характеристиками. Вероятность безотказной работы на определенном интервале времени P(T_o ) это вероятность того что, проработав в течение заданного промежутка времени, изделие окажется в неработоспособном состоянии. Для изделий, прошедших период приработки и не достигших периода старения, когда вероятность отказа резко возрастает, вероятность безотказной работы определяется законом Пуассона:

P(T_o )=e^{- l To}

l - результирующая интенсивность отказов, T_o – промежуток времени, на котором рассчитывается вероятность безотказной работы.

Наработка на отказ это математическое ожидание времени безотказной работы. За этот промежуток времени вероятность безотказной работы уменьшается в е раз.

Поскольку проектируемое устройство имеет минимальную структуру, то есть отказ любого элемента приводит к отказу всего устройства, для расчета надежности воспользуюсь средне-групповым методом. В соответствии с данным методом результирующая интенсивность отказов вычисляется по формуле l_p =( Sn_i l_I )

l_i – интенсивность отказов элементов i-ого типа

n_i - количество элементов i-ого типа

В представленной ниже таблице приведены данные элементов, встречающихся в схеме:

Интенсивность отказов Таблица 1.7.1

Тогда lp=( Sni lI)=119,746

Наработка на отказ Тср=1:lp= 8351 час

Таким образом, наработка на отказ удовлетворяет техническому заданию.

2 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Патентный поиск

В результате проведения патентного поиска были найдены следующие близкие по техническим решениям и назначению разработки:

1 Система для тестирования и обслуживания звукового оборудования А1.

Производитель: фирма Neutrik.

Описание: Система А1 представляет собой измерительный электроакустический комплекс высшего класса, состоящий из двух блоков - генератора и анализатора. По функциональным возможностям он сравним с работой семи приборов одновременно, а стоить будет гораздо меньше. Комплекс применяется в исследовательских и прикладных целях для измерений и анализа практически любых параметров звукового сигнала: уровня, коэффициента усиления, гармонических, интермодуляционных и перекрестных искажений, частотных и фазовых характеристик, шума и детонаций. Также А1 может работать как осциллограф. Дополнительно устанавливается программный модуль измерителя корреляции. Каждый экземпляр прибора сопровождается сертификатом, в котором указаны его индивидуальные особенности, такие, как уровень собственного шума (как правило, менее 92 дБ) и общий коэффициент искажений (менее 0,0025%).

Технические характеристики:

Максимальное входное напряжение: 300 В (пик), 200 В (RMS)

Минимальное входное напряжение: 1,2 мВ

Входной импеданс: 100 кОм

Диапазон выходного напряжения генератора: 245 мкВ…7,75 В

Максимальное выходное напряжение: 24,5 В (RMS)

Выходной импеданс: менее 0,2 Ом

Частотный диапазон генератора: 20 Гц…40 кГц

Частотный диапазон анализатора: 16 Гц…200 кГц

Напряжение питания: 100…240 В, переключаемое

Потребляемая мощность: 60 Вт

2 Автоматическая измерительная система A2/A2-D

Производитель: фирма Neutrik.

Описание: Система А2/А2-D представляет собой автоматический измерительный комплекс высшего класса. Его функциональные возможности гарантируют выполнение широчайшего спектра задач по тестированию звукового сигнала и оборудования, а также визуального контроля и документирования результатов измерений. Он может применяться в исследовательских или прикладных целях для измерений и анализа практически любых параметров звукового сигнала, таких как уровень сигнала, коэффициент усиления, частотные характеристики, коэффициент гармонических, интермодуляционных и перекрестных искажений, уровень шума и детонации, фазовые и спектральные характеристики. Благодаря многопроцессорной архитектуре и высокому быстродействию центрального процессора A2/A2-D во много раз превосходит другие измерительные приборы по количеству одновременно выполняемых вычислений и достоверности их результатов. Сложные задачи решаются с помощью простого и удобного пользовательского интерфейса. Следуя сложившейся практике, в измерительных целях может использоваться как аналоговый, так и цифровой сигнал.

Технические характеристики:

Аналоговый сигнал

Максимальное входное напряжение: 300 В (пик), 200 В (RMS)

Минимальное входное напряжение: 1,2 мВ

Входной импеданс: 100 кОм, 600 и 200 Ом, переключаемый

Минимальное выходное напряжение: 10 мВ

Максимальное выходное напряжение: 24,5 В (RMS)

Выходной импеданс: менее 15 Ом, 150 Ом, 200 Ом, переключаемый

Частотный диапазон: 10 Гц…100 кГц, ±0,05 дБ в диапазоне 20 Гц…20 кГц

Коэффициент гармонических искажений: менее -94 дБ

Цифровой сигнал

Формат: AES/EBU, IEC958, TosLink

Импеданс: 110 Ом, 75 Ом, переключаемый

Частота дискретизации: 32 кГц, 44,1 кГц, 48 кГц, подстраиваемая в пределах ±1500 ppm

Разрядность: переключаемая, 4…24 бит

Выходное напряжение несущей: 0,15…5 В

Цифро-аналоговое преобразование: 16 бит, 48 кГц

Физические параметры

Напряжение питания: 100…240 В, переключаемое

Потребляемая мощность: 85 Вт

3 Аудиоанализатор компьютерный АК-1

Производитель: Компания НИИР-КОМ

АК-1 обеспечивает создание информационно-измерительных систем аппаратно-студийных комплексов, каналов и трактов звукового вещания и звукового сопровождения телевидения.

Режимы работы:

- генерация периодических измерительных сигналов по выбору;

- генерация последовательности различных измерительных сигналов для автоматического анализа параметров тракта звукового вещания;

- автоматический анализ основных параметров трактов звукового вещания с оценкой их энтропийных отклонений и контролем по уровням допустимых отклонений и брака (измерение до 4-х моно- или 2-х стереотрактов);

- осциллографические измерения формы и спектра сигналов с возможностями изменения их масштаба (электронная лупа);

- статистическая оценка параметров каналов и сохранение результатов в базе данных;

- статистическая оценка динамических звуковых сигналов в процессе передачи программ вещания;

- режим гониометра;

- стандартный компьютерный режим.

Измерительные сигналы обладают следующими основными качественными показателями:

- диапазон частот = от 5 Гц до 20 кГц с шагом перестройки 0,5 Гц;

- точность установки частоты = 10-5 ;

- диапазон установки выходного уровня = от +15 до -45 дБ с точностью не менее 0,05 дБ;

- коэффициент гармоник = не более 0,02%;

- отношение сигнал/шум = не менее 100 дБ;

- программная установка длительности и видов измерительных сигналов.

4ИК-ТЧ измеритель каналов тональной частоты

Производитель: ООО Инруском

Назначение: эксплуатационные измерения каналов ТЧ, образованных в аналоговых и цифровых системах передачи, для использования на предприятиях связи первичных и вторичных сетей, а также потребителями каналов ТЧ.

Предназначен для измерения следующих параметров:

- остаточного затухания;

- частотной характеристики остаточного затухания;

- уровня сигнала;

- уровня невзвешенных и псофометрических шумов (МСЭ-Т О.41);

- защищенности сигнала от псофометрической мощности сопровождающих помех, включая искажения квантования(МСЭ-Т О.132);

- защищености от внятных переходных влияний

Задачи и требования к перечисленным системам не слишком схожи с проекитируемой системой. Также проведению сопоставительного анализа препятствует то, что примененные технические решения и описания принципов работы, данных систем являются коммерческой тайной. Следовательно, проведение сопоставительного анализа не возможно.

2.2 Разработка технического задания

При разработке технического задания необходимо учесть следующие технические требования

Состав изделия и требования к изделию:

1.1. Блок предназначен для генерации электрических сигналов звуковой частоты и выполнения аналого-цифрового преобразования сигналов звуковой частоты поступающих на вход блока измерителя. Блок измерителя соединяется с ПЭВМ, которая осуществляет функции управления и контроля измерений, через стандартный девятиконтактный разъем для КОМ-порта DB9 (интерфейс RS232).

Устройство состоит из цифровой платы измерителя, сетевой вилки, выключателя, провод интерфейса RS232.

1.2 Конструктивные требования.

Габаритные размеры блока – не более 300х300х100

Масса не должна превышать 5 кг.

Класс установки устройства – наземное, стационарное.

Климатическое исполнение – общеклиматическое для суши.

2.Показатели назначения.

2.1Мощность потребления не более 30Вт.

3.Требования надежности.

Устройство относится к восстанавливаемому типу изделий.

Отказом устройства считается несоответствие устройства требованиям технического задания.

Средняя наработка устройства на отказ должна быть не менее 5000 часов

Требования по живучести к внешним воздействиям:

Устройство должно быть устойчиво к воздействию температуры окружающей среды от 0 до +40^о С, с относительной влажностью до 95%.

Жесткие требования безотказной работы подразумевают высокую надежность соединений и использование ЭРЭ с низкой вероятностью отказа.

Для уменьшения времени ремонта конструкция должна обеспечивать свободный доступ к внутренним частям, обеспечиваемый стандартными конструкциями корпусов, выпускаемых многими зарубежными фирмами, а также иметь разъемные соединения.

Для увеличения показателя транспортабельности необходимо либо увеличить объем тары, предназначенной для перевозки, либо умеьшить геометрические размеры.

Исходя из анализа технического задания, приступим к разработке изделия.

2.3 Разработка конструкции блока

Техническое задание разрабатывается на основании исходных требований заказчиков, результатов выполнения научных исследований и экспериментальных работ, научного прогнозирования, анализда передовых достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники и технологии, изучение патентной информации.

Согласно ГОСТ 20504-81 в техническом задании устанавливается основное назначение и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемому изделию, а так же специальные требования. Приведены требования к конструкции блока.

Блок измерителя состоит из печатной платы с элементами, экрана, для защиты от внешних электрических наводок и помех, вилки сетевой, блока питания, преобразующего 220В 50Гц в постоянное напряжение 5В 15В и –15В, объединенные в один корпус.

Изделие будет эксплуатироваться в помещениях при температуре от 0 до 40 градусов Цельсия поэтому выбирается корпус соответствующий данным требованиям.

Немецкая фирма Bopla является одним из ведущих производителей различных корпусов для устройств промышленной электроники. В производственной номенклатуре свыше 5000 наименований корпусов из пластика и легких сплавов. Корпуса, произведенные этой фирмой, отличаются легкостью, прочностью и удобством сборки и разборки. Информация по корпусам этой фирмы представлена на интернетовском сайте по адресу “http://www.prosoft.ru/catalog/Bopla/1.htm”

Ultramas — модульный конструктив, допускающий установку печатных плат 3U и 6U (стандарт МЭК 297). Выпускаются два варианта, отличающихся глубиной: 199 мм и 259 мм. Дополнительные боковые вставки позволяют легко изменять высоту корпуса. Конструктив может быть использован для реализации как настольных, так и встраиваемых устройств. Для настольного варианта поставляются специальные ножки.

Корпуса Ultrapult разработаны на базе конструктива Ultramas с использованием его элементов. Корпуса отличаются наличием наклонной лицевой панели, позволяющей удобно располагать элементы управления и индикации.

Материал: корпус, боковые вставки и ножки — АВS-пластик, лицевая панель - анодированный алюминий или АВS-пластик.

Цвет: светло-серый (RAL7035)

Степень защиты: глухой корпус — IP40, корпус с вентиляционными прорезями — IP20

Выбранный для реализации изделия корпус Bopla Ultramas UM-626091 имеет габаритные размеры 290,9х259х62,2. Выбранные размеры определяются размерами печатной платы и размерами остальных компонентов, входящих в изделие. Крепление отдельных узлов осуществляется с помощью винтовых соединений. Печатная плата крепится к внутренним отверстиями внутри с помощью винтов, над печатной платой с помощью металлических стоек крепится экран, на отверстия в экране с помощью винтов крепится блок питания. На передней панели крепится сетевой выключатель. На задней панели, с помощью винтов, крепится сетевая вилка. Электрическое соединение блока питания, сетевой вилки, электрического выключателя осуществляется проводным монтажом.

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

Изучив ТЗ на изделие, в которое входит плата, оценив условия эксплуатации, хранения, транспортирования, выбираю группу жесткости. В зависимости от условий эксплуатации определяется группа жесткости по ОСТ 4.077.000, обусловливающая требования к конструкции платы, материалу основания и проводящего рисунка и необходимость защиты от климатических, механических и других воздействий. Выбираю первую группу жесткости.

Выбрана двусторонняя печатная плата с металлизированными отверстиями. Для ДПП выбираю полуаддитивный метод получения проводящего рисунка (типовой процесс по ОСТ 4.ГО.020.219). Этот метод позволяет получить рисунок с высокой точностью и обеспечить высокую плотность монтажа. Выбираю четвертый класс точности, что позволяет получить высокую плотность монтажа, а следовательно минимизировать размеры печатной платы.

Кроме того, при трассировке печатной платы 4-ого класса точности допускается использование шага координатной сетки 1,25 мм, что позволяет прокладывать поводники между выводами ИМС.

Для выбора размеров печатной платы оценим необходимую площадь занимаемую элементами.

Sпп = Кип*( )

Площадь, занимаемая резисторами: = 340 мм²

Площадь, занимаемая конденсаторами: =1400 мм²

Площадь, занимаемая реле: = 300 мм²

Площадь, занимаемая ИМС: = 15000 мм²

Площадь, занимаемая разъемами: = 1800 мм²

Коэффициент использования печатной платы:

K_ИП = 3

С учетом этого площадь печатной платы будет равна:

S_ПП = 3 · 20640= 61920 мм²

По ГОСТ 10317-79 из предпочтительных вариантов выбираем размер 240х260 мм.

Толщину платы выбираем равной 2 мм.

В качестве материала основания выбираем стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35 (ГОСТ 10316-78). Выбор обусловлен группой жесткости, условиями технического задания и многослойной технологией печатной платы.

2.5 Размещение и трассировка печатной платы

Размещение на печатной плате электронных компонентов и трассировака проводились в системе сквозного автоматического проектирования OrCad 9.2. Данная система позволяет проектировать устройство от принципиальной схемы до создания печатной платы. При этом создается вся необходимая для изготовления печатного узла документации. Но из-за того , что данная система была разработана американской фирмой, документация создается не в соответствии с российскими ГОСТами, а в соответствии с американскими стандартами. Это единственный недостаток данной системы для российского пользователя. Система очень удобна в использовании, обладаем многими полезными опциями, например, позволяет моделировать цифровые, аналоговые и смешанные схемы. В России же подобные системы не производятся. Система «Компас» похожа на OrCad но она больше ориентирована на разработку механики. С помощью специальной библиотеки можно рисовать там электрические принципиальные схемы в соответствии с российскими ГОСТами, но там нет проектирования печатных плат, моделирования и т.п.

2.6 Расчет параметров проводящего рисунка

Произведём расчет параметров проводящего рисунка с учетом погрешностей его изготовления:

1) Примем шаг координатной сетки равным 1,25 мм.

2) Номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

d=d_э +ê∆d_н.о ê+r, где

d_э = — максимальное значение диаметра вывода навесного элемента;

r=0,3 мм — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента;

Dd_н.о. =0,10 мм— нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

а) для микросхем:

d_э =0,5 мм d=0,9 мм;

б) для конденсаторов:

d_э =0,5 мм d=0,9 мм;

в) для резисторов:

d_э =0,5 мм d=0,9 мм;

г) для реле:

d_э =0,5 мм d=0,9 мм;

д) для кварцев:

d_э =0,5 мм d=0,9 мм;

е) для разъема:

d_э =1 мм d=1,4 мм.

Рассчитанные значения сводятся к предпочтительному ряду размеров монтажных отверстий:

0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм.

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий для разъема: d=1,5 мм.

3) Определение номинальной ширины проводника:

t=t_MD +êDt_НО ê, где t_MD =0,12 мм; Dt_НО =0,05 мм

t=0,12+0,05=0,17 мм

4) Расчет зазора между проводниками:

S=S_MД +Dt_ВО , где

Dt_ВО =0,05 мм — верхнее предельное отклонение ширины проводника; S_MД =0,20 мм — минимально допустимое расстояние между соседними элементами;

S=0,2+0,05=0,25 мм.

5) Центры монтажных и переходных отверстий располагаются в узлах координатной сетки. Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки d_р =0,08 мм. Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно их номинального положения d_d =0,2 мм.

6) Диаметр контактной площадки равен:

D=(d+Dd_во )+2b_п ^г +Dt_во +(d_d ² +d_p ² +Dt_но ² )^1/2 ,

где Dd_во =0,05 мм; b_п ^г =0,05 мм; Dt_во =Dt_но =0,05 мм; d_р =0,2 мм; d_d =0,08 мм

Dd_во +2b_п ^г +Dt_во +(d_d ² +d_p ² +Dt_но ² )^1/2 =0,05+0,05+0,05+(3*25*10^-4 )^1/2 =0,37мм

d=0,4 мм → D=0,77 мм.

d=0,9 мм → D=1,27 мм.

d=1,5 мм → D=1,87 мм.

7) Расчет минимального расстояния для прокладки 2х проводника между отверстиями с контактными площадками диаметрами D1, D2:

l= +t_n +S(n+1)+dl, где n=1; dl=0,03 мм

l=(1,321+1,321)/2+0,17+0,25*(1+1)+0,03=2,02 мм.

Расстояние между выводами применяемых микросхем 2,54 мм, поэтому, учитывая результаты расчетов, мы можем производить прокладку проводника между выводами.

Произведём расчет параметров проводящего рисунка с учетом технологических погрешностей получения защитного рисунка:

1) Минимальное значение диаметра металлизированного отверстия:

d_min H_п g, где Н_п =2 мм – толщина платы; g=0,25;

d_min 2*0,25=0,5 мм.

2) Максимальный диаметр просверленного отверстия:

d_св =d_Мотв +0,1=0,9+0,1=1 мм.

Dd=0,1 мм-погрешность диаметра отверстия;

d_max =d_св +Dd=1+0,1=1,1мм.

3) Погрешность расположения отверстия:

d_отв =d₀ +d_б =0,06+0,02=0,08 мм.

4) Минимальный диаметр контактной площадки:

D’_min =D’_1min +1,5h_пм +h_р

D’_1min =2( b_п ^г + +d₀ +d_кп ),

d’_кп =d_ш +d_э +(d_п +d_э )/2=0,05+0,02+(0,025+0,025)/2=0,095 мм;

d_max =0,9 мм;

D’_1min =2(0,025+0,9/2+0,05+0,095)=1,24 мм;

D’_min =1,24+1,5*0,005+0,02=1,53 мм;

d_max2 =1,5 мм → D_min2 =2,13 мм.

5) Минимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки:

D_{ш min} = D_min - h_р ;=1,24-0,02= 1,22

6) Максимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки:

D_{ш max} = D_{ш min} +D D_ш =1,22+0,,03= 1,24 мм;

7) Максимальный диаметр контактной площадки:

D_max = D_{ш max} +D Э + h_р

D_{max 1} =1,24+0,02+0,02=1,28мм;

D_{max 2} =2,13+0,02+0,02=2,17 мм.

8) Минимальная ширина проводника:

t_пmin =t_п1min +1,5h_пм + h_р =0,12+1,5*0,005+0,02 =0,21 мм.

9) Минимальная ширина линии на фотошаблоне:

t_{ш min} =t_nmin - h_г =0,18-0,05=0,13 мм.

10) Максимальная ширина линии на фотошаблоне:

t_шmax = t_шmin +Dt_ш = 0,15+0,045=0,195 мм.

11) Максимальная ширина проводника:

t_nmax = t_шmax + h_г + h_р +D Э=0,195+0,02+0,02+0,02=0,255 мм.

12) Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

S_1min =L₀ - [D_max /2+d_кп +t_{п max} /2+d_шт ]=1,25-(1,38/2+0,095+0,127+0,03)=0,36 мм,

где L₀ – расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

13) Минимальное расстояние между контактными площадками:

S_2min =L₀ - (D_max +2d_кп )=2,5-(2,17+2*0,095)=0,14 мм.

14) Минимальное расстояние между двумя проводниками:

S_3min =L₀ - ( t_nmax +2d_шт )=1,25-(0,255+2*0,03)=0,4 мм.

15) Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне:

S_4min =L₀ - (D_{ш max} /2+d_кп +t_nmax /2+d_шт +d_кп )=1,25-(1,38/2+0,095+0,27/2+0,05+0,095)=0,03 мм.

16) Минимальное расстояние между контактными площадками на фотошаблоне:

S_5min =L₀ - ( D_{ш max} +2d_кп )=2,5-(2,11+2*0,095)=0,2 мм.

17) Минимальное расстояние между двумя проводниками на фотошаблоне:

S_6min =L₀ - (t_{ш max} +2d_шт )=1,25-(0,195+2*0,3)=0,455 мм.

Сравнив результаты геометрических расчетов параметров проводящего рисунка с учетом погрешности получения проводящего рисунка и погрешности защитного рисунка, а так же технологических факторов можно сделать заключение о том, что выбор четвертого класса точности был обоснован.

2.7 Расчет проводников по постоянному току

Наиболее важными электрическими свойствами печатных плат по постоянному току является нагрузочная способность проводников по току и сопротивление изоляции.

Помеха по постоянному току возникает за счёт падения напряжения на печатном проводнике и за счёт конечного значения сопротивления изоляции.

1) Падение напряжения на проводнике:

U_п = ;

где b_ф =0,315 мм – ширина проводника; h_ф =0,035 мм – толщина фольги; l=0,17 м – длина проводника; r=0,0175 - удельное сопротивление проводника; I=0,5 А – ток;

U_п = =0,132 В,

U_п <U_зпу =0,4¸0,5 В

Необходимое условие (U_п <U_зпу ) запаса помехоустойчивости обеспечено.

2) Для шин питания и земли:

S_пз ³ , где Е_П – номинальное значение напряжения питания; I=0,5А – максимальный потребляемый ток;

S_пз = =0,00765 мм²

B_пз = S_пз / h_ф =0,00765/0,035=0,218 мм.

При ширине проводника шин питания и земли больше 0.672 мм, условие будет выполнено.

3) Поверхностное сопротивление изоляции:

R_S = ,

где l₃ =1,05*10­^-3 м зазор между проводниками; l=0,076 м – наибольшая длина совместного прохождения проводников; r₀ =5*10¹⁰ Ом – удельное поверхностное сопротивление диэлектрика;

R_S = =59 МОм.

4) Объемное сопротивление изоляции:

R_V =

r_V =5*10⁹ Ом* м³ – удельное объёмное сопротивление диэлектрика;

S_п =0,25 мм² – площадь проекции одного проводника на другой;

h_пп =1,5*10^-3 м – толщина печатной платы;

R_V = =30 МОм.

5) Сопротивление изоляции параллельных проводников на поверхности:

R_U = = =19,8 МОм

Для нормального функционирования узла, сопротивление изоляции должно превышать входное сопротивление схемы более чем в 1000 раз (R_U >10³ R_вх ). Входное сопротивление цифровых схем оценивается для состояний логического нуля и единицы по максимальному значению:

R_вх0 =U_вх0 / I_вх0 ; R_вх1 =U_вх1 / I_вх1 ;

R_вх1 = =12,5 кОм;

Очевидно, что условие R_U >10³ R_вх выполняется.

2.8 Расчет проводников по переменному току

При передаче по печатным проводникам высокочастотных или импульсных сигналов, из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и ёмкости, сопротивления утечки между проводниками, сигналы искажаются и появляются перекрёстные помехи.

1) Падение импульсного напряжения на длине проводника в l cм.

U_L =L_по ;

L_по =1,8 ; - погонная индуктивность одиночного проводника; DI=20 мА – изменение выходного тока переключения; t_И =5 нс – длительность импульса;

U_L =1Б8 =0,0072 .

2) Максимальная длина проводника:

l_max < = =555 cм.

3) Задержка сигнала при передаче по линии связи:

t_з = = ,

где e_r =5 –относительная диэлектрическая проницаемость основания платы; m_r =1 – относительная магнитная проницаемость платы; t₀ =0,33 нс/м – погонная задержка сигнала по проводнику в вакууме; l=0,5 м;

t_з =0,5*0,33 =0,37 нс.

Задержка такой величины не окажет влияния на качество работы схемы.

4) Взаимная индуктивность и емкость двух проводников:

Ёмкость печатных проводников С и коэффициент взаимоиндуктивности М рассчитывается исходя из толщины проводника W=0,05 мм, его ширины b=0,20мм, длины совместного прохождения l=0,1м, зазора между проводниками δ=1,05*10^-3 м и типа линии связи. Для параллельных проводников на внешнем слое (Рисунок 2.8.1):

Рисунок 2.8.1

C=1,06e_r l/lg[2 δ /(W+b)];

С= 1,06*5*0,1/lg[2*1,05*10­^-3 /(0,05*10­^-3 +0,2*10­^-3 )]=0,6 пФ

М=2l(ln )=1,02 мкГн.

5) Между рядом расположенными проводниками существует электрическая связь через сопротивление изоляции R_U , взаимную емкость С и индуктивность М, которая приводит к появлению на пассивной линии связи напряжения перекрестной помехи от активной линии. Надежная работа цифровых электронных схем будет обеспечена, если напряжение помехи не превысит помехоустойчивости логических схем:

U=U_RU +U_C +U_М <U_ЗПУ

- Напряжение перекрестной помехи за счет резистивной связи:

;

где R₂ , R₃ – входное и выходное активное сопротивление ИМС; U_вых – значение напряжения на выходе схемы;

В;

- Напряжение перекрестной помехи за счет емкостной связи:

,

где Dt – длительность фронта выходного сигнала возбужденной логической схемы;

В;

- Помеха за счет взаимоиндуктивности:

,

B;

,

В.

Очевидно, что значение перекрестной помехи за счет резистивной, емкостной связи и за счет взаимоиндуктивности, намного меньше значения запаса помехоустойчивости U _зпу .

2.9 Расчет теплового режима

Исходные данные:

- размеры блока: l_b1 = 290; l_b2 = 260; l_b3 = 60 (мм);

- размеры нагретой зоны: l_з1 = 270; l_з2 = 250; l_з3 = 50 (мм);

- мощность рассеивания блока: P_б = 30 (Вт);

- мощность, рассеиваемая ЭРЭ наиболее критичным к перегреву P_к =0,1Вт;

- площадь поверхности ЭРЭ наиболее критичного к перегреву:
S_к = 8*10^-4 м² ;

- максимальная температура окружающей среды: Т_ос = 40°С;

- количество вентиляционных отверстий и площадь одного отверстия: n_во =20; S_во = 4*10^-4 м² ;

- допускаемая температура компонента: Т_{к доп} = 80°С.

Расчёт основных характеристик:

1) Площадь поверхности блока:

S_кб =2(l_{d 1} l_{d 2} +( l_{d 1} + l_{d 2} ) l_{d 3} )=2(0,29*0,26+(0,29+0,26)0,06)=1,166 м²

2) Поверхность нагретой зоны:

S_H3 =2(l₃₁ l₃₂ +( l₃₁ + l₃₂ )l₃₃ K_зб );

К_зб = (V_пп + V_к )/V_б - коэффициент заполнения блока;

V_пп =1,24 *10^-3 м³ ; - объём печатных плат;

V_к =0,6 *10^-3 м³ - объём компонентов в узлах;

V_б =4,52 *10^-3 м³ – объём блока;

К_зб = (V_пп + V_к )/V_б =0,4;

S_нз =2(0,27*0,25+(0,27+0,25)*0,5*0,4)=0,162 м² .

3) Удельная мощность, рассеиваемая блоком:

q_{К d} = =25,7 Вт/м² .

4) Удельная мощность, рассеиваемая зоной:

q_нз = 185,18 Вт/м² .

5) Перегрев блока и нагретой зоны относительно окружающей среды соответственно:

DТ₁ =11°С;

DT₂ =18°C.

6) Площадь вентиляции:

S∑_во =n_во *S_во =20*4*10^-4 =0,008 м² .

7) Коэффициент перфорации:

К_пф = 0,106.

8) Коэффициент, учитывающий перегрев при наличии вентиляционных отверстий:

К_m =У(К_ПФ );

K_m =0,9.

9) Перегрев поверхности блока с учетом перфорации:

DТ_кб =0,93*К_m DТ₁ =0,93*0,9*11=9,2 °С.

10) Перегрев нагретой зоны с учетом перфорации:

DТ_нз =К_m DТ₂ =0,9*18=16,2 °С.

11) Перегрев воздуха в блоке:

DТ_сп =0,6DТ_нз =0,6*16,2=9,72 °С.

12) Критичная величина перегрева НЗ определяется по графику, для заданной вероятности p=0,99:

ΔТ_кр =φ₈ (ΔТ_нз )=45 ⁰ С.

13) Компоненты, для которых необходимо вести дополнительный тепловой расчет, определяются по соотношению:

ΔТ_к.доп =Т_к.доп­ - Т_ос < ΔТ_кр ;

Компоненты, для которых справедливо соотношение:

ΔТ_к.доп =Т_к.доп­ - Т_ос > ΔТ_кр ;

в дальнейшем расчёте не участвуют;

ΔТ_к.доп = 80 - 40=40 ⁰ C < ΔТ_кр =43,5 ­⁰ C,

Необходимо вести дальнейший расчет.

14) Удельная мощность, рассеиваемая компонентом:

q_K = = =119 Вт/м²

15) Перегрев поверхности компонента:

DТ_к =DТ_нз (0,75+0,25 )=16,2(0,75+0,25 )=12,7 °С.

16) Перегрев среды, окружающей компонент:

DТ_ск =DТ_сп (0,75+0,25 )=7,6 °С.

17) Температура кожуха блока:

Т_кб =Т_ос +DТ_кб =40+9,2=49,2 °С.

18) Температура нагретой зоны:

Т_нз = Т_ос +DТ_нз =40+16,2=56,2 °С.

19) Средняя температура воздуха в блоке:

Т_сп = Т_ос +DТ_сп =40+9,72=49,72 °С.

20) Температура поверхности компонента:

Т_к = Т_ос +DТ_к =40+12,7=52,7 °С.

21) Температура окружающей компонент среды:

Т_ск = Т_ос +DТ_ск =40+7,6=47,6 °С;

Т_к.доп =80°С > Т_к =47,6 °С.

Условие выполняется для всех компонентов, дальнейших расчётов не требуется. Тепловой режим в блоке соблюдается для заданного числа вентиляционных отверстий при естественном воздушном охлаждении.

2.10 Расчет защиты от механических воздействий

Проверочный расчет печатного узла на механическую прочность сводится к оценке вибропрочности.

Исходные данные:

- Длина, ширина, толщина платы:

l_д =0,26 м; l_ш =0,24 м; h_m =0,002м;

- материал печатной платы:

γ=2050 кг/м³ – плотность;

Е=3,02*10¹⁰ Н/м² – модуль упругости;

μ_m =0,22 – коэффициент Пуассона;

σ₀₂ =150*10⁶ Н/м² – предел прочности;

- Масса всех ЭРЭ, устанавливаемых на ПП:

m_Σ =0,15 кг

- Вариант установки печатной платы - со всеми защемлёнными сторонами;

- виброускорение и вибронагрузка:

а=4 м/с² ;

^k _g = ;

- Дополнительные стягивающие усилия винтового закрепления:

Р_n =120 H.

Расчёт параметров:

1) Главный центральный момент инерции:

J= =3,4*10^-11

2) Низшая собственная частота печатного узла для данного вида крепления:

= =3,496 Гц

1046 Гц

Низшая собственная частота f_о не попадает в диапазон 10-70 Гц, поэтому дополнительная амортизация не требуется.

3) Напряжение на пластине:

,

где – нагрузка на пластину с учетом стягивания винтами с усилием P;

К_g – виброперегрузка;

G – масса ПУ;

= 5583 Н;

= 40,8*10⁶ Н/м² ;

Проверим запас прочности:

=150*10⁶ /40,8*10⁶ =3,67;

где s₀₂ – условный предел текучести;

т. к. t >1, толщина печатной платы выбрана правильно и печатный узел обладает необходимым запасом прочности.

4) Оценка коэффициента передачи по ускорению:

g(х, у)=

а(х, у) и а_о – величины виброускорений в точке (х, у) и опорной соответственно:

g(х, у)= , где

e= = =9,55 – показатель затухания;

h= = =0,067 – коэффициент расстройки;

K₁ (x)=K₁ (y)=1,35 – коэффициент формы колебаний;

g(х, у)=1,006;

а(х, у)=а₀ g(х, у)=4g*1,006=4,024g.

5) Оценка амплитуды виброперемещения:

S_B (x,y)=x₀ g(x,y)

x₀ = = 0,0032 м;

S_B =1,006*0,0032=0,00322 м.

6) Определим максимальный прогиб печатной платы:

d_В =|S_B (x,y) - x₀ |=0,00322 – 0,0032=0,00002 м;

7) Проверим условия вибропрочности:

- Для ЭРЭ (по справочнику) максимально допустимое виброускорение составляет 5g, что превышает виброускорение в проектируемом печатном узле.

- Для элементов РЭА типа пластин необходимо выполнение условия:

d_В < d_доп *l² , где l – стрела прогиба на длине 1м. Допустимая стрела прогиба (d_доп ) для фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм должна быть не более 11 мм.

d_В =2,0*10^-5 < 3,564*10^-4 м

Таким образом, условие вибропрочности для печатной платы выполняется.

- Для печатных плат с ЭРЭ должно выполняться условие:

d_В <0,003В, где В – размер стороны параллельно которой расположены элементы;

d_В =2,0*10^-5 м <5,4*10^-4 м - условие выполняется.

Вывод:

Условия вибропрочности для данного печатного узла выполняются, поэтому изменения конструкции РЭА и применения специальных амортизаторов не требуется.

2.11 Расчет на действие удара

1) Определяем частоту ударного импульса:

w= , где t=7·10^-3 c – длительность импульса;

w=448,799 Гц.

2) Определяем коэффициент передачи при ударе:

- для прямоугольного импульса:

К_у =2sin , где

=0,0683 – коэффициент расстройки;

К_у =2sin =2sin =1,67;

- для полусинусоидального импульса:

К_у = =0,005.

3) Рассчитаем ударное ускорение:

а_у =Н_у *К_у , где Н_у =15 м/с² - амплитуда ускорения ударного импульса;

а_у =15*1,67=25,05 м/с² .

4) Определим максимальное относительное перемещение:

- для полусинуса:

,

Z_max =2,5*10^-8 м.

- для прямоугольника:

Z_max =5,9*10^-7 м.

5) Проверим выполнение условия ударопрочности:

- для ЭРЭ ударное ускорение меньше допустимого (по справочнику), т.е.:

а_у < а_удоп =150 м/с² ;

- для элементов РЭА типа пластин необходимо выполнение условия:

Z_max < d_доп *l² ,где l – стрела прогиба на длине 1м. Допустимая стрела прогиба (d_доп ) для фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм должна быть не более 11 мм.

Z_max =5,9*10^-7 м < 3,564*10^-4 м,

таким образом, условие вибропрочности для печатной платы выполняется;

- для печатных плат с ЭРЭ должно выполняться условие:

Z_max <0,003В, где В – размер стороны параллельно которой расположены элементы;

Z_max =5,9*10^-7 м <5,4*10^-4 м - условие выполняется.

Вывод:

Условия ударопрочности для данного печатного узла выполняются, поэтому изменения конструкции РЭА и применения специальных амортизаторов не требуется.

2.12 Оценка уровня качества

Термин "уровень качества продукции", учитывающий все аспекты этого уровня, определяется в ГОСТ 15467–79, в соответствии с которым качество продукции представляется совокупностью свойств продукции и способностью удовлетворять определенным потребностям в зависимости от ее назначения. При оценке уровня качества разработанного устройства необходимо относительное сравнение с другими аналогичными существующими образцами.

При оценке качества изделия пользуются показателями качества – количественными характеристиками одного или нескольких свойств образца. Причем, рекомендуется объединять однородные показатели качества и рассматривать их по следующим группам:

- показатели назначения;

- показатели надежности;

- показатели технологичности;

- эргономические показатели;

- эстетические показатели;

- показатели стандартизации и унификации;

- патентно–правовые показатели;

- экономические показатели;

- показатели безопасности;

- показатели экологичности.

Для оценки уровня качества разрабатываемого устройства мы используем лишь некоторые из представленных показателей.

2.12.1 Оценка уровня технологичности конструкции изделия

Произведём оценку технологичности на основе использования частных и комплексного показателей. Состав относительных частных показателей и значения коэффициентов значимости определяется классом, к которому относиться разрабатываемое изделие.

Данное изделие относится к классу электронных блоков, поэтому для него используются следующие показатели:

1) Коэффициент использования микросхем:

H_мс =23 шт. – общее количество микросхем и микросборок в изделии;

H_эрэ = 79 шт.– общее количество ЭРЭ;

= =0,23.

2) Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

H_ам =497 шт. – количество монтажных соединений, которые могут быть осуществлены механизированным или автоматизированным способом;

H_м =523 шт. – общее количество монтажных соединений;

= =0,95.

3) Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу:

H_{мп эрэ} =79 шт. – количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может быть осуществлена механизированным или автоматизированным способом;

= =1.

4) Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки:

H_мкн =2 шт. – количество операций контроля и настройки, которые могут быть осуществлены механизированным или автоматизированным способом;

H_кн =3 шт. – общее количество операций контроля и настройки;

K_мкн = = =0,66.

5) Коэффициент повторяемости ЭРЭ:

H_{т эрэ} =15 шт. – общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии;

= =0,81.

6) Коэффициент применяемости ЭРЭ:

H_{т ор эрэ} =5 шт.– количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии;

= =0,89.

7) Коэффициент прогрессивности формообразования:

D_пр =4 шт.– количество деталей, полученных прогрессивным методом;

D =8 шт.– общее количество деталей;

= =0,5.

8) Комплексный показатель технологичности, определяемый на основе частных:

= =0,70

где K_i – рассчитанное значение показателя; j_i – весовой коэффициент значимости для каждого показателя (табличное значение); S =7– количество относительных частных показателей.

9) Оценим уровень технологичности конструкции:

Ку=К/Кн; Кн=0,5 –для электронных блоков;

Ку=0,70/0,5=1,4.

Вывод:

Данный печатный узел можно считать технологичным, т.к. комплексный показатель технологичности (К=0,70) превышает предельное нормативное значение для соответствующего класса блоков (Кнэ=0,5).

2.12.2 Расчет уровня качества

Произведём оценку уровня качества по следующим группам показателей:

- показатели назначения;

- показатели надежности;

- показатели технологичности;

- эргономико-эстетические показатели.

Для каждой из групп рассчитаем свой коэффициент уровня качества:

,

где D_i и В_i – значения параметров соответственно разрабатываемого и базового изделий. Поскольку технические решения и принципы функционирования изделий, найденных в процессе патентного поиска не публикуются производителя, из-за того что данные сведения являются коммерческой тайной, в качестве базового будем использовать изделие аналогичное проектируемому, но с примением другой элементной базы. Определим коэффициент уровня качества для показателей назначения :

Таблица 2.12.2.1

Технический уровень и качество продукции

Q₁ = =1,839.

1) Определим коэффициент уровня качества для показателей надёжности:

Используемым показателем надежности является рассчитанное среднее время наработки на отказ:

Т_срБаз =3000 ч; Т_срРаз =8351 ч; m=1;

g= 2,78; Q₂ =2,78.

2) Определим коэффициент уровня качества для показателей технологичности:

Для оценки используем комплексные показатели технологичности базового и проектируемого вариантов.

К_баз =0,5; К_разр =0,70; m=1;

g= 1,4; Q₃ =1,4.

3) Определим коэффициент уровня качества для эргономико-эстетических показателей:

Для этого произведём оценку базового и разрабатываемого вариантов изделия по пятибальной шкале. При оценке будем учитывать оригинальность исполнения устройства, удобство при обслуживании в процессе эксплуатации и ремонте, соответствие образцам современной техники. Результаты оценки приведены в таблице 2.12.2.2.

Таблица 2.12.2.2

Эргономико-эстетические показатели

Q₄ =1,25.

4) Рассчитаем общий уровень качества разрабатываемого изделия:

,

где М₁ =0,2; М₂ =0,2; М₃ =0,3; М₄ =0,3 – весовые коэффициенты;

Q_компл =1,839*0,2+2,78*0,2+1,4*0,3+1,25*0,3=1,71.

5) Уровень качества изделия по сравнению с базовым:

S= Q₀ -1=1,71 -1=0,71.

Проектируемое изделие не уступает базовому аналогу и соответствует современным требованиям к уровню качества.

Полученные значения показателей надёжности полностью удовлетворяют требованиям ТЗ. Оценка экономических показателей будет рассмотрена в технико–экономическом разделе расчетно-пояснительной записки.

2.13 Разработка технологического процесса сборки блока

Произведём разработку технологического процесса сборки блока. Информационной основой при разработке технологического процесса является типовой технологический процесс. Он разрабатывается для изготовления в конкретных производственных условиях типового представителя группы изделий, обладающих общими конструктивно-технологическими признаками. На основе типовых технологических процессов составляются рабочие технологические процессы.

Соответственно типовому технологическому процессу сборки РЭА (ОСТ 4Г0.054.088) для разрабатываемой конструкции блока можно выделить следующие операции:

1) Подготовка деталей к сборке;

2) Маркировка деталей и установочных элементов;

3) Сборка несущего основания;

4) Установка деталей и элементов на несущее основание;

5) Контроль качества сборки;

6) Подготовка проводов, сборка жгутов и кабелей;

7) Электромонтаж блока;

8) Настройка;

9) Установка закрытий;

10) Контроль правильности функционирования;

11) Маркировка;

14) Упаковка блока в тару.

Содержание и последовательность технологических операций определим на основе анализа типового технологического процесса и операций, обеспечивающих выполнение предъявляемых требований. В результате получаем технологический процесс, состоящий из следующих операций:

1.Комплектовочная - комплектация сборочной единицы материалами, деталями;

2.Контрольная - визуальный контроль сборочных элементов на отсутствие повреждений и соответствие чертежу;

3.Контрольная – контроль печатных плат;

4.Сборочная - установка элементов и узлов блока на несущее основание согласно сборочному чертежу;

5.Подготовительная - нарезка проводов в размер, их зачистка и лужение;

6.Маркировочная - маркировка проводов согласно электромонтажному чертежу;

7.Монтажная - монтаж элементов блока согласно электромонтажному чертежу;

8.Лакокрасочная – влагозащита паяных соединений проводного монтажа.

9.Контрольная – проверка качества электромонтажа;

10.Сборочная – установка печатных узлов в корпус блока;

11.Сборочная - установка панелей и закрытий;

12.Контрольная - контроль работоспособности блока;

13.Маркировочная – маркировка блока;

14.Упаковочная – упаковка блока в тару.

Рабочий технологический процесс сборки блока нацелен на максимальное сокращение количества операций и переходов (учитывая тенденцию к переходу к малооперационной технологии), сокращение их длительности и трудоемкости. Применение контрольных операций позволяет значительно сократить количество брака при сборке блока. Операции по контролю производятся после наиболее ответственных операций и практически не влияют на длительность всего технологического процесса.

Инструмент и типовую тех­нологическую оснастку для сборочных работ выберем в соответствии с ОСТ 4Г0.060.010. - ОСТ 4Г0.060.056.

Операционные каты разработанного технологического процесса сборки блока приведёны в приложении.

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Выбор и обоснование базового варианта

Поскольку информация о технологических и экономических параметрах подобных изделий техники тщательно скрывается (данная информация является коммерческой тайной), в качестве базового варианта необходимо выбрать один из вариантов разрабатываемой системы измерений. В качестве такого варианта примем вариант, в котором используется другая элементная база. В базовом варианте будут использованы ЦАП и АЦП фирмы Analog Device AD1859 и AD1879 соответственно.

Расчет себестоимости базового варианта будем производить параллельно с расчетом себестоимости проектируемого изделия.

3.2 Расчет себестоимости блока измерителя

Расчет себестоимости проектируемого радиоэлектронного изделия осуществляется на конечной стадии проектирования. К этому моменту имеется значительной частью исходных данных, необходимых для точного расчета себестоимости (известны принципиальная схема, элементная база, создана спецификация на покупные изделия, разработаны технологические процессы по некоторым видам работ и деталям). Поэтому для определения себестоимости проектируемого изделия должен быть использован точный метод расчета.

К моменту расчета мы обладаем следующими исходными данными:

-спецификация на покупные изделия

-схема электрическая принципиальная

-элементная база

рабочий технологический процесс

Поэтому для определения себестоимости проектируемого изделия должен быть использован точный метод расчета.

В промышленности применяют различные методы калькулирования (точного расчета):

- прямой

- расчетно-аналитический

- параметрический

- комбинированный

- попередельный

Наибольшее распространение получил расчетно-аналитический метод. Этот метод должен быть использован для расчета себестоимости интерфейсной платы по статьям калькуляции.

По существующей классификации затрат должен быть принят следующий состав статьи калькуляции:

1. Материалы

2. Возвратные отходы (вычитаются)

3. Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты и услуги, кооперирующихся предприятий

4. Основная заработная плата производственных рабочих (включая премии из фонда заработной платы)

5. Дополнительная заработная плата производственных рабочих

6. Отчисления на социальное страхование из заработной платы производственных рабочих

7. Расходы на подготовку и освоение производства

8. Износ инструментов и приспособлений целевого назначения и специальные расходы

9. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

10. Общепроизводственные расходы

11. Общехозяйственные расходы

12. Прочие производственные расходы

13. Внепроизводственные расходы

Материалы

Затраты на основные материалы, расходуемые на изготовление деталей собственного производства, а также вспомогательные материалы, которые используются в процессе изготовления системы измерений для технологических целей (например формовка, пайка, удаление флюса и т.п.). Сюда же можно включить стоимость изделий общепромышленного назначения. Стоимость материалов рассчитывается прямым путем, исходя из норм расхода и стоимости единицы этих материалов. Результаты расчета стоимости материалов сведены в таблицу 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Стоимость материалов

Возвратные отходы

Возвратные отходы включаются в стоимость остатков сырья и материалов, образующихся в процессе превращения исходного материала в готовую продукцию, если они полностью или частично утратили потребительские качества исходного материала и в силу этого не могут использоваться по прямому назначению.

Стоимость возвратных отходов определяется как произведение из количества на установленные по прейскурантам цены. Примем количество отходов 10% от количества исходных материалов. Тогда их стоимость составит 39,85*0,1= 3,99.

Покупные комплектующие, полуфабрикаты и услуги кооперирующих предприятий.

В данную статью включаются затраты на приобретение готовых изделий и полуфабрикатов, требующих дополнительных затрат труда на их обработку или сборку при выпуске продукции.

Затраты на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты рассчитываются прямым путём, исходя из норм их расходов и действующих оптовых цен. В соответствии со спецификацией на проектируемое устройство цифровой обработки сигналов покупные изделия, используемые для его изготовления приведены в табл. 3.2.2.

Таблица 3.2.2

Стоимость покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов

Итого: С_ПИ =5251,6 руб

К данной сумме необходимо добавить транспортно-заготовительные расходы в размере 3,5%

Получаем: 5435,41 руб.

Стоимости материалов и покупных изделий базового варианта приведены в таблицах 3.2.3 и 3.2.4

Таблица 3.2.3

Стоимость материалов

Возвратные отходы: 39,85*0,1= 3,99.

Таблица 3.2.2

Стоимость покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов

Итого: СПИ=7875,6 руб

К данной сумме необходимо добавить транспортно-заготовительные расходы в размере 3,5%

Получаем: 8151,13

Основная заработная плата рабочих

Поскольку в дипломном проекте разрабатываются технологические процессы только на сборочно-монтажные работы, трудоемкость определяется укрупненно путем использования метода удельных весов (структурного).

Пооперационный расчет трудоемкости по сборочно-монтажным работам сведен в таблицы 3.2.5 и 3.2.6

Сборка и монтаж печатного узла Таблица 3.2.5

Сборка блока Таблица 3.2.6

Поскольку базовый вариант отличается от проектируемого изделия только наличием АЦП и ЦАП производства другой фирмы, следовательно заработная плата рабочих в базовом и проектируемом варианте будет одинакова. Используя данные предприятий по подобным изделиям, установим процентные соотношения различных видов работ.

Эти данные приведены в таблице 3.2.7

Таблица 3.2.7

Расчет основной заработной платы рабочих сведен в таблицу 3.2.8

Таблица 3.2.8

Таким образом, основная заработная плата производственных рабочих для базового и проектируемого вариантов составляет 69,00руб. на изделие.

Дополнительная заработная плата

Дополнительная заработная плата устанавливается в пределах 8ми – 10ти процентов от основной.

Для базового и проектируемого изделия она составляет 6,9.

Единый социальный налог

Единый социальный налог составляет 35,6% от основной и дополнительной зарплаты.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

(69,00+6,9*0,356=27,02 руб.

Износ инструментов и приспособлений целевого назначения и специальные расходы

Так как проектируемое изделие (измеритель параметров каналов звуковой частоты) относится к радиоизмерительной аппаратуре. Следовательно направление техники будет: аппаратура радиоизмерительная и дозиметрическая. В данном направлении техники при мелкосерийном производстве расходы на возмещение износа инструментов и приспособлений целевого назначения и специальные расходы составляют 53% от основной зарплаты:

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*0,53= 36,57руб.

Расходы на подготовку и освоение производства

Для единичного производства составляют 60% от основной заработной платы.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*0,6= 41,4 руб.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

Берем 50% от основной заработной платы производственных рабочих.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*0,5=34,5 руб.

Общепроизводственные расходы

Для радиоизмерительных систем составляют 132% от основной заработной платы производственных рабочих.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*1,32= 91,8 руб.

Общехозяйственные расходы

Для радиоизмерительных систем составляют 78% от основной заработной платы производственных рабочих.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*0,78= 53,82 руб.

Прочие производственные расходы

Для радиоизмерительной аппаратуры при единичном производстве составляет 15% от основной заработной платы.

Для базового и проектируемого изделия она составляет:

69,00*0,15= 10,35 руб.

Внепроизводственные расходы

Составляют 7,5% от производственной себестоимости.

Для базового: 5850,61*0,075= 438,8 руб.

Для проектируемого: 8566,33*0,075= 642,47 руб.

Результаты расчета себестоимости сведены в таблицу 3.2.9

Калькуляция себестоимости проектируемого изделия Таблица 3.2.9