РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
на тему:
"Датчик Шума"
Данный курсовой проект выполнен на основе материала, полученного на предприятии ФГУП «Калугаприбор» г. Калуги.
В данном курсовом проекте при разработке печатного узла учитывались условия его работы.
Условия эксплуатации блока подразумевают постоянное действие вибрации (10 g) и воздействие ударов (перегрузка 15 g, форма импульса прямоугольная, t = 15 мс), давление 760 мм. рт. ст., диапазон температур (-60 – +100)°С, влажность до 80% при температуре 300С.
Данный узел должен обеспечивать высокое быстродействие и при этом иметь как можно меньшие габариты и вес, а его производство обладать максимальной технологичностью с учетом типа производства.
Все эти требования и стали определяющими при выборе конструктивного варианта исполнения субблока, элементной базы, типа крепления ЭРЭ и выбора защитных покрытий, а также при разработке технологического процесса сборки данного субблока.
Чертежи оформлены с использованием графической системы КОМПАС 7.0, расчетно-пояснительная записка оформлена с использованием текстового редактора MicroSoft Word.
ДШ конструктивно выполнен в виде субблока. Структурная схема датчика ДШ представлена на листе 5 графической части.
При построении ДШ использовано известное положение теоремы Ляпунова о том, что закон распределении плотности вероятности суммы независимых случайных величин, имеющих законы распределения отличные от нормального, приближается к нормальному распределению при n стремящемся к бесконечности, где n число слагаемых. Кроме того, если закон распределения каждого из слагаемых симметричен, то закон распределение суммы приближается к нормальному распределению быстрее.
Используемые в ДШ источники шума ИШ генерируют шумовой сигнал (импульсная последовательность пилообразных импульсов) одномерный закон распределения мгновенных значений которого подчиняется закону Реллея.
Сигналы 1 и 3 слагаемых образуются суммированием сигналов двух пар ИШ с разной полярностью импульсных последовательностей на эмиттерных повторителях ЭП с последующим амплитудным ограничением на ограничителях Огр. дли стабилизации уровня сигнала и одновременного расширения спектра в область низких частот.
Для формирования сигналов 2 и 4 слагаемых используются две нелинейные цепи с несимметричными выходами9 в состав каждой из которых, кроме пары ИШ с разной полярностью импульсных последовательностей, входят усилитель-ограничитель а фильтр низкой частоты,
После суммирования сумматором двух предельно-ограниченных сигналов8 число которых обусловлено заданной степенью приближения закона распределения суммы сигналов к нормальному распределению, образованный шумовой сигнал проходит через ФНЧ1.1, формирующей требуемое распределение спектральной плотности сигнала по частоте, и поступает на регулируемый усилитель на выходе которого сигнал имеет постоянную величину независимо, от его ширины спектра.
Управление полосой пропускания ФНЧ1, коэффициентом усиленна УР осуществляется одновременно через коммутатор.
С выхода УР1.1 шумовой сигнал поступает на вход модулятора, при помощи которого возможно осуществление модуляции сигнала низкочастотным случайным сигналом со спектром 0–30 Гц. Формирование низкочастотного сигнала производится путем фильтрации одного из исходных ограниченных сигналов ФНЧ2.
В ДШ применяется резервирование кепи формирования шумового сигнала, состоящей из последовательно соединенные сумматора, ФНЧ и УР. На входы первой цепи поступают сигналы 1 и 2 слагаемого,: а на входы второй 3 и 4 слагаемого. Управление полосой пропускания ФНЧ1 и усилением УР1 осуществляется синхронно через соответствующие КОММУТ.1 и КОММУТ.2.
Источниками шума служат диоды VD1 – VD8.
Рабочий ток 50 мкА через диоды стабилизируется источниками тока на транзисторах микросхем DD1, DD2 с токозадающими резисторами R1 – R6.
Шумовые сигналы от источников шума непосредственно и через разделительные конденсаторы С1, С3, С5 и согласующие резисторы R8 – R15 поступают на входы ЭП, выполненных на транзисторах микросхемы DD3.
Далее сигналы через разделительные конденсаторы С9, С10 попадают на ограничители., выполненные на широкополосных усилителях микросхем DD5, DD6 с корректирующими конденсаторами С11 – С14, С17, С18,
Шумовые сигналы с диодов VD2, VD3, VD6, VD7 через разделительные конденсаторы С2, С4, C7, С8 поступают на выход усилителей-ограничителей собранных на микросхеме DD4.
• Усилители-ограничители содержат три каскада. Первый из них работает в линейном режиме, а второй и третий в режиме ограничения амплитуды, что обеспечивает стабильность выходных уровней.
С выходов усилителей-ограничителей сигналы через разделительные конденсаторы C15, C16 поступают на входы фильтров низкой частоты, выполненных на RC элементах (R26-C24, R27-C25). Ограниченные шумовые сигналы через согласующие резисторы R20, R21, R31, R32 поступают на входы соответствующих сумматоров, выполненных на ЭП микросхем DD5, DD6.
С выхода каждого сумматора сигнал вначале подается на предварительный фильтр НЧ. собранный на элементах R29, 1? 33, С26, С28, и RЗО, R34, С27, С29, L 2, а затем на формирующий ФНЧ1.
В фильтрах НЧ1.1 и НЧ1.2 предусмотрено изменение полосы пропускания путем выборочного подключения к общей шине конденсаторов СЗЗ-С35 (СЗО и R35 подключены постоянно) и C36-C38 (С31 и R36 подключены постоянно). Подключение конденсаторов осуществляется через коммутаторы (входы АЭ-А2 микросхем DD7 и DD8).
Сформированный сигнал с выхода каждого ФНЧ1 поступает на соответствующий инвертирующий усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления (микросхемы DD9, DD10). Регулировка коэффициента усиления производится путем изменения коэффициента передачи цепи обратной связи на элементах R37-R44, R48, R49. Подключение резисторов R37-R44 к обшей шине осуществляется через коммутаторы (входы ВО-ВЗ микросхем DD7 и DD8), на управляющие входы которых подаются логические *1* и «О*.
С выхода усилителя DD10.1 через разделительные конденсаторы С39, С42 и согласующий резистор R51 сигнал подается на первый вход модулятора, выполненного на микросхеме DD11. Элементы R54, R55, R64, C52 осуществляют начальное смещение на первом входе модулятора, а элементы R50, R52, R53, C43 нa втором входе модулятора. Для установки заданной глубины модуляции предназначен потенциометр R58 с согласующим резистором R56. Резисторы R57, R59-коллекторные нагрузки выходных транзисторов модулятора.
На второй вход модулятора через конденсатор С44 поступает низкочастотный случайный сигнал с выхода второго фильтра НЧ, выполненного на операционном усилителе (ОУ) DD9 с элементами R28, R45-R47, С21, С32.
Модулированный сигнал снимается с резистора R59 и подается на вход согласующего инвертирующего усилителя на микросхеме DD10.2 через конденсаторы С49 и С50
Далее усиленный сигнал поступает через резистор R7O поступает на выход субблока.
Одновременно с выходов ОУ микросхем DD9 и DD10.1 сформированные сигналы через разделительные конденсаторы С45-С48 поступают на вход инвертирующего сумматора выполненного на ОУ DD13, с выхода которого через согласующий резистор R68 усиленный сигнал поступает на выход субблока, контакт А28.
Параллельно инвертирующим входам ОУ Д13, Д10.2 включены ключи на транзисторах микросхемы DD12 с резисторами R69, R71. При подаче на управляющие входы ключей (базы транзисторов) напряжения (12–15) В ключи открываются и подключают входы ОУ к общей шине, что исключает прохождение входного сигнала ОУ на выход субблока. Режим работы субблока без модуляции обеспечивается при включенном ключе DD12.1 и выключенном ключе DD12.2, а режим с модуляцией – при включенном ключе DD12.2 и выключенном ключе DD12.1.
Элементы R22, R23, V9, VIО и R76, R77, Vll, V12 выполняют функции стабилизаторов напряжения для микросхем DD5-DD8; элементы С54-С61, R72-R75-функции фильтров цепей питания – 15 В; элементы R78, С62-функции фильтра цепи питания микросхемы DD4.
Данный проект выполнен в соответствие с современными требованиями, обеспечением точностных и временных характеристик. Исходя из этого считаю целесообразным выполнить поверхностный монтаж всех элементов, для чего используются не только отечественные но и импортные компоненты.
Преимущества SMD технологии:
· Cнижение массы и габаритов готового изделия.
· Снижение стоимости радиоэлементов.
· Устранение непосредственного контакта персонала с компонентами.
· Использование компонентов прямо из заводской упаковки.
· Возможность полной автоматизации монтажа.
· Возможность исключения операции отмывки.
· Использование современной элементной базы.
Высокая точность и повторяемость установки компонентов.
Конструкция системы ориентирована на обеспечение наилучшего быстродействия, высокой надежности и относительно небольшую стоимость. Практически все элементы схемы, кроме конденсаторов импортные. Конденсаторы и резисторы – малогабаритные в корпусах 0603,0805,1206 для поверхностного (SMD) монтажа.
Рассмотрим конденсаторы типа К53–56А фирмы ОАО НИИ «Гириконд»(Санкт-Петербург) Танталовые чип-конденсаторы защищенной конструкции для автоматического монтажа на поверхность
Наиболее широкая шкала номинальных емкостей и напряжений. Низкие значения полного сопротивления. Высокие значения удельного заряда. Повышенная стойкость к механическим нагрузкам. Допускают использование автоматического монтажа в аппаратуру.
| Обозначение корпуса | Габаритные размеры*, мм, макс. | ||||
| L | B | A | b | m | |
| 1 | 3,2±0,2 | 1,6±0,2 | 1,6±0,2 | 1,2±0,1 | 0,7±0,2 |
| 2 | 3,6±0,2 | 2,8±0,2 | 1,8±0,2 | 2,0±0,1 | 0,7±0,2 |
| 3 | 6,3±0,3 | 3,2±0,3 | 2,5±0,3 | 2,0±0,1 | 1,3±0,3 |
| 4 | 7,1±0,3 | 4,5±0,3 | 2,8±0,3 | 3,0±0,1 | 1,3±0,3 |
| 5 | 7,1±0,3 | 4,5±0,3 | 4,0±0,3 | 3,0±0,1 | 1,3±0,3 |
| Обозначение корпуса | ||||||||||||||||||||
| Сном, мкФ | Uном, В | Сном, мкФ | Uном, В | |||||||||||||||||
| 4,0 | 6,3 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 4,0 | 6,3 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | |||
| 0,10 | 1 | 1 | 6,8 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | ||||||||
| 0,15 | 1 | 1 | 1 | 10 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | 5 | |||||||
| 0,22 | 1 | 1 | 1 | 2 | 15 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | |||||||
| 0,33 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 22 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | |||||||
| 0,47 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 33 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | |||||||
| 0,68 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 47 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | 5 | ||||||
| 1,0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 68 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | ||||||
| 1,5 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 100 | 3 | 4 | 4 | 5 | ||||||
| 2,2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 150 | 4 | 4 | 5 | |||||||
| 3,3 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 220 | 4 | 5 | ||||||||
Таким образом, можно утверждать, что элементы субблока для поверхностного монтажа выбраны правильно и соответствуют всем характеристикам, необходимым для правильной работы блока.