_{МИНИСТЕРСТВО} ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

в г. ТАГАНРОГЕ

Кафедра ЭГА и МТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО КУРСУ: Основы проектирования приборов и систем

НА ТЕМУ: Проектирование малогабаритного частотомера

ПРОВЕРИЛ Пивнев П.П

ВЫПОЛНИЛ Топоркова Е.А. гр. В-125

Таганрог – 2009

Содержание

Введение

1.Техническое задание

1.1Назначение и область применения

1.2 Технические характеристики

1.3 Условия эксплуатации

1.4 Характеристики надежности

1.5 Порядок работы

2. Обзор литературных источников

2.1 Классификация частотомеров

2.2 Наименования и обозначения

2.3 Основные нормируемые характеристики

2.4 Нормативно-техническая документация

3. Анализ структурной схемы

4. Анализ схемы электрической принципиальной

5. Печатная плата

6. Расчет надежности

7. Расчет резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины

8. Расчет теплового режима

Заключение

Список литературы

Введение

Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10-10 до ± 1,5×10-15, то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Но исследования в области измерения частоты продолжаются. Национальные метрологические институты США, Германии, Франции, имеющие в настоящее время эталоны на основе цезиевых фонтанов, ведут работы над оптическими эталонами частоты и эталонами частоты на основе “задержанных” ионов. Проведенные исследования и сличения уже показывают возможность достижения погрешностей ± 1×10-17… ± 1×10-19, что не исключает введения нового определения секунды взамен действующего с 1968 г. решения Международного Бюро Мер и Весов. Более того, ресурс передачи сигналов эталонных частот становится общедоступным. Например, с помощью системы GPS / ГЛОНАСС можно осуществлять прослеживаемость к государственным эталонам частоты с погрешностью ± 1×10-11… ± 1×10-13 (без учета поправок) для широкого круга пользователей. Соответственно, повышаются точности вторичных эталонов и рабочих средств измерений частоты.

Далее мы рассмотрим недорогой, простой в повторении, малогабаритный частотомер, который может пригодиться любому радиоинженеру или радиолюбителю для измерения частоты.

1.Техническое задание

1.1 Назначение и область применения

Предлагаемый частотомер имеет малые габариты, поэтому его можно назвать карманным. Кроме частоты, он измеряет её отклонение относительно зафиксированного значения и подсчитывает число импульсов. Прибор прост в повторении и содержит минимальное число деталей.

Частотомер измеряет частоту входного сигнала в диапазоне 10Гц…50МГц со временем счета 0,1с и 1с, отклонение частоты в пределах ± 10МГц, а также осуществляет счет импульсов с отображением счета (до 99с)

1.2 Технические характеристики

Потребляемый ток 9 мА

Потребляемая мощность 54 мВт

Потребляемое напряжение 9 В

Диапазон частоты входного сигнала 10Гц…50 МГц

Отклонение частоты ± 10МГц

Время счета 0,1с и 1с

Отображение счета импульсов до 99с

1.3 Условия эксплуатации

Плата вместе с батареей размещена в пластмассовом корпусе размерами 30*50*70мм. Индикатор и выключатель питания закреплены на передней панели, где для них сделаны отверстия соответствующего размера. Для питания устройства можно использовать батареи «Крона», «Корунд», 6F22, потребляемый ток составляет около 9мА. Микроконтроллер можно запрограммировать с помощью программ Pony Prog. IC Prog.

Налаживание прибора сводиться к регулировке точности измерения частоты. Для этого от образцового генератора подают непрерывный сигнал с частотой около 1 МГц, амплитудой 0,5В и подстроечным конденсатором С5 добиваются совпадения показаний индикатора с частотой входного сигнала. Затем подборкой резистора R1 устанавливают максимальную чувствительность частотомера.

1.4 Характеристики надёжности

Наработка на отказ, не менее 5*10 часов

Прибор должен обладать ремонтопригодностью в течении 3лет

Срок службы прибора 8 лет

1.5 Порядок работы

После включения питания микроконтроллер выполняет подпрограмму измерения частоты с временем счета 0,1 с. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 значение частоты фиксируется и микроконтроллер измеряет отклонение частоты от зафиксированного значения с последующим отображением этого отклонения на табло индикатора HG1. Повторное кратковременное нажатие на кнопку SB1 возвращает устройство в исходное состояние. Для перехода в режим измерения частоты и её отклонения с временем счета 1с следует нажать на кнопку SB1 и удерживать её не менее 2с. Еще одно длительное нажатие на кнопку SB1 переводит устройство в режим счета импульсов. В этом режиме по коротким нажатиям на кнопку последовательно происходят запуск, остановками обнуление счетчика и индикатора времени измерения.

Частота и её отклонения отображаются на табло частотомера в герцах. При интервале измерения 0,1 с показания выглядят следующим образом: «1Fxxxxxxxx» для частоты или «1F_xxxxxxx»(«1F-xxxxxxx») для отклонения частоты, где хххххххх- частота или её изменение, а знак показывает на её увеличение или уменьшение. Поскольку в индикаторе не предусмотрен знак «+», он отображается как «_». При интервале измерения 1с на первой позиции индикатора присутствует цифра 2. В режиме счета импульсов до старта на табло индикатора будут нули, в режиме счета – СС уууууу, где СС- время счета в секундах, уууууу- число импульсов. По окончании счета показания фиксируются.

2. Обзор литературных источников

Частотоме́р — измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

2.1 Классификация частотомеров

• По методу измерения - приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

• По физическому смыслу измеряемой величины — для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).

• По исполнению (конструкции) — щитовые, переносные и стационарные.

• По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений — электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.

  • В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а так же, отчасти, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.

  • В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.

• Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

• ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.

• Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.

• Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только повышает диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.

• НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов

• ПРИМЕРЫ: Ч3-54, Ч3-57, Ф5137, Ч3-84

Резонансные частотомеры

Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.

• НАЗНАЧЕНИЕ: настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов

• ПРИМЕРЫ: Ч2-33, Ч2-34, Ч2-45, Ч2-55

Гетеродинные частотомеры

Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.

• НАЗНАЧЕНИЕ: аналогично резонансным частотомерам

• ПРИМЕРЫ: Ч4-1, Ч4-22, Ч4-23, Ч4-24, Ч4-25

Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.

• НАЗНАЧЕНИЕ: настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры

• ПРИМЕРЫ: Ф5043

Вибрационные (язычковые) частотомеры

Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.

• НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания

• ПРИМЕРЫ: В80, В87

Аналоговые стрелочные частотомеры

Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое — через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие на других принципах.

• НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания

• ПРИМЕРЫ: Д416, Э353, Ц1736, М800, С 300 М1-1

2.2 Наименования и обозначения

• Устаревшие наименования

  • Волномер — для резонансных и гетеродинных частотомеров

  • Герцметр — для щитовых аналоговых и язычковых частотомеров

• Для обозначения типов электроизмерительных (низкочастотных) частотомеров традиционно используется отраслевая система обозначений, в которой приборы маркируются в зависимости от системы (основного принципа действия)

  • Вхх — вибрационные частотомеры

  • Дхх — приборы электродинамической системы

  • Эхх — приборы электромагнитной системы

  • Мхх — приборы магнитоэлектрической системы

  • Цхх — приборы выпрямительной системы

  • Фхх, Щхх — приборы электронной системы

  • Нхх — самопишущие приборы

• Частотомеры радиодиапазона маркируются по ГОСТ 15094

  • Ч2-хх — резонансные частотомеры

  • Ч3-хх, РЧ3-хх — Электронно-счетные частотомеры

  • Ч4-хх — гетеродинные, конденсаторные и мостовые частотомеры

2.3 Основные нормируемые характеристики частотомеров

• Диапазон измеряемых частот

• Допустимая погрешность измерения (для эл.-изм. — класс точности)

• Чувствительность

• Для ЭСЧ — нестабильность частоты кварцевого генератора

2.4 Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 8.567-99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения

• ГОСТ 7590-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 4. Особые требования к частотомерам

• ГОСТ 7590-78 Приборы электроизмерительные для измерения частоты аналоговые показывающие. Общие технические условия

• ГОСТ 22335-77 Частотомеры электронно-счетные. Технические требования, методы испытаний

• ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

• ГОСТ 8.422-81 ГСИ. Частотомеры. Методы и средства поверки

• ГОСТ 12692-67 Измерители частоты резонансные. Методы и средства поверки

• ОСТ11-272.000-80 Частотомеры резонансные. Основные параметры

• МИ 1835-88 Частотомеры электронно-счетные. Методика поверки

3. Выбор и обоснование структурной схемы