Моя КР по РЭС (Курсовик - 16-канальный преобразователь амплитуды входного сигнала в ширину выходного импульса)

1 Техническое задание на разработку изделия

1.1 Наименование и область применения

Наименование изделия: 16-канальный преобразователь амплитуды входного сигнала в ширину выходного импульса (ШИМ – преобразователь).

Область применения: измерительная техника, импульсные блоки питания, цифровые усилители.

Объект использования: быстроходный катер.

1.2 Основание для разработки

Основанием для разработки служит задание на курсовое проектирование, утверждённое и выданное кафедрой 404 18 февраля 2010 года.

1.3 Цель и задачи разработки

Целью разработки является приобретение навыков решения сложных проектно-конструкторских задач.

Задачами разработки являются: схемотехническая отработка конструкции, разработка конструкции, расчет показателей качества, оформление КД.

1.4 Источники разработки

1.4.1 Литературные источники разработки

Электрическая схема 1 канала преобразователя представлена в:

- Практическая схемотехника. Шустов М. А., книга 1, стр. 175, рис. 19.8.

1.4.2 Конструкторские аналоги

Аналогов нет.

1.5 Технические (Тактико-технические) требования

1.5.1 Состав изделия и требования к его конструкции

1.5.1.1 Требования к конструкции: изделие должно быть выполнено на МСБ, заключено в герметичный металлический корпус коробчатого типа. Конструкция изделия должна состоять из блока в форме прямоугольного параллелепипеда.

1.5.1.2 Состав изделия: каждый канал преобразователя должен быть выполнен на 1 МСБ. Общее количество МСБ 16.

1.5.1.3 Габаритные размеры блока должны быть не более (ДхШхВ) 300х200х200 мм.

1.5.1.4 Масса блока должна быть не более 1 кг.

1.5.1.5 МСБ должна быть бескорпусной и состоять из элементов, выполненных по тонкопленочной технологии, и компонентов в бескорпусном исполнении или в микрокорпусах для поверхностного монтажа.

1.5.2 Показатели назначения

1.5.2.1 Аналоговый сигнал на входе синусоидальной или любой другой формы с увеличением амплитуды должен преобразовываться в цифровой сигнал в виде прямоугольных импульсов с различной шириной в зависимости от амплитуды входного сигнала.

1.5.2.2 Показатели для одного канала преобразователя должны иметь следующие значения:

- максимальная амплитуда входного сигнала – в пределах 2…2.5 В;

- полоса рабочих частот: 100 Гц – 200 кГц;

- пороговое напряжение начала работы преобразователя в полосе частот 5…200 кГц - в пределах 80…90 мВ;

1.5.2.3 Напряжение питания блока должно лежать в пределах +9 В +/- 10%.

1.5.2.7 Количество каналов ШИМ-преобразователя должно быть равно 16.

1.5.3 Требования к надёжности

1.5.3.1 Показатели надежности должны иметь следующие значения:

- наработка на отказ не менее 3900ч;

- вероятность безотказной работы не менее 0.97 при Т=3900ч.

1.5.3.2 Конструкция блока не должна предусматривать возможность ремонта или замены отдельных частей.

1.5.4 Требование к уровню унификации и стандартизации

Использовать стандартные изделия и материалы. Уровни унификации и стандартизации, оцениваемые соответствующими коэффициентами, должны быть не менее 0.7.

1.5.5 Условия эксплуатации (использования)

1.5.5.1 Предназначен для установки на быстроходном катере.

1.5.5.2 Должен иметь климатическое исполнение «ОМ».

1.5.5.3 Преобразователь должен удовлетворять требованиям п. 1.5.2 при следующих условиях эксплуатации:

- ускорение ударов 147 м/с^2;

- длительность ударов 5…10 мс;

- частота повторения ударов 40…80 с^-1;

- ветровая нагрузка не более 70 м/с;

- акустический шум в полосе 50-1000 Гц: 140 дБ;

- линейное ускорение 3.12 м/с^2;

- температура минус 40°С … +60°С;

- относительная влажность воздуха при 25°С 93…100%;

- устойчивость к вибрациям с частотой 5-150 Гц;

- пониженное атмосферное давление – 60-65 кПа.

1.5.6 Дополнительные требования

Изделие должно быть выполнено на современной элементной базе, по возможности отечественного производства или имеющей отечественные аналоги.

1.5.7 Требование к транспортировке и хранению

Хранение изделия должно производиться на стеллажах в заводской упаковке.

Транспортировка должна производиться любым видом транспорта на неограниченные расстояния в заводской упаковке.

1.6 Стадии разработки

Разработка изделия должна проходить следующие стадии:

- разработка ТЗ;

- анализ принципиальной электрической схемы;

- выбор элементной базы;

- разработка топологии МСБ;

- разработка конструкции ФЯ;

- разработка конструкции блока;

- расчёт и оценка показателей качества конструкции;

- оформление КД.

Срок завершения разработки 15.05.2010.

1.7 Комплектность конструкторской документации

Конструкторская документация на изделие должна состоять из следующих частей:

- расчётно-пояснительная записка;

- схема электрическая принципиальная;

- сборочный чертёж блока изделия;

- спецификация на блок;

- сборочный чертеж ФЯ;

- спецификация на ФЯ;

- сборочный чертёж МСБ;

- спецификация на МСБ;

- чертеж подложки.

2 Анализ электрической принципиальной схемы одного канала

2.1 Принцип работы и функции отдельных цепей

При подаче на устройство входного сигнала синусоидальной или любой другой формы с увеличением амплитуды, начиная с некоторого порогового значения (определяется диодом), на выходе устройства сформируются прямоугольные импульсы, ширина которых будет зависеть от амплитуды входного сигнала. Операционный усилитель работает как компаратор, сравнивая значения амплитуды входных сигналов. Способ подключения входов компаратора определяет полярность выходных импульсов.

Полоса рабочих частот определяется емкостью конденсаторов С1 и С2. Рабочая полоса частот лежит в пределах 100 Гц – 200 кГц.

Характер преобразования сигналов аналогово-цифровой.

2.2 Классификация элементов принципиальной схемы на элементы и компоненты микросборки

Резисторы R1, R2 с номиналами 51 кОм и R3 с номиналом 1 кОм, соединительные проводники, контактные площадки относятся к элементам микросборки, т. к. могут быть выполнены в тонкопленочном (интегральном) варианте.

Интегральная микросхема DA1, конденсаторы С1 и С2 с емкостью 0.15 мкФ, полупроводниковый диод VD1 относятся к компонентам микросборки.

2.3 Общие требования к взаимному размещению элементов и компонентов микросборки

Необходимо использовать раздельные цепи «земли» и «питания», которые соединяют только в одной точке у входного аналогового разъема.

Между двумя точками печатного рисунка (сигнальными проводниками), которые нужно разделить с точки зрения электромагнитной совместимости, требуется экран для уменьшения связи – проводник «земли». Схема не является высокочастотной. Следовательно, требования к увеличению расстояний между сигнальными проводниками и отсутствию параллельных участков проводников при их прокладке не являются строгими. Аналоговый вход является чувствительным к электромагнитным наводкам. Цифровой сигнал имеет широкий спектр, который может повлиять на аналоговый сигнал. Поэтому в соединителе «вход» и «выход» требуется разделять «землей». Чтобы не было паразитной связи по эфиру в соединителе с целью увеличения помехоустойчивости схемы, можно растянуть «вход» и «выход», последовательно расположив функциональные части схемы от входа к выходу и разместив контактные площадки на противоположных концах подложки. Этот вариант размещения особенно актуален на высоких частотах.

Учитывая цифровой характер схемы необходимо минимизировать задержки, возникающие в проводниках МСБ. Для этого необходимо, по возможности, применять для коммутации проводники с минимальными длинами, минимизировать число пересечений проводников. Так как данная схема не является высокочастотной, то допустимо применять подложки с ε =8..9. Для коммутации МСБ с другими модулями и узлами в конструкции МСБ необходимо предусмотреть периферийные (внешние) контактные площадки.

2.3 Оценочной расчет по постоянному току электрических режимов элементов и компонентов

Исходим из следующих допущений:

- входные сигналы по переменной составляющей малы;

- входные цепи интегральных микросхем имеют бесконечно большое сопротивление по постоянному току;

- выходное сопротивление интегральных микросхем стремится к нулю;

- выходное напряжение цифрового сигнала находится на двух уровнях: логического «нуля» (соответствует 0 В) и логической «единицы» (соответствует ).

Исходя из этих допущений, обрываем входные цепи ИС, цепи, содержащие емкости (поскольку их сопротивление постоянному току велико). Диод при прямом включении замыкаем. Следует рассматривать наихудший случай: токи в цепях должны быть максимальны, что соответствует максимальному напряжению питания =9+0.1·9=9.9 (В).

Упрощенная эквивалентная схема одного канала изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Упрощенная эквивалентная схема одного канала при постоянном токе

= = (A)=0.097 (мА).

=0.48 (мВт).

‹для диодов падение напряжения при прямом смещении составляет 0.7 (В) ›= (мВт).

(мА).

(В).

(мВт).

(В).

‹для микросхемы Б521СА3-2 ток потребления от источника питания составляет (А)›= (мВт). Результаты расчета приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета электрических режимов элементов и компонентов МСБ по постоянному току

Таким образом, мощность, рассеиваемая 16 каналами, составляет (Вт).