Проектирование малогабаритного частотомера

Проектирование малогабаритного частотомера

3

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

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

1.2 Технические характеристики

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

Частотомемр -- измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

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

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

· НАЗНАЧЕНИЕ: настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры

· ПРИМЕРЫ: Ф5043

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 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

3. Выбор и обоснование структурной схемы

Частотомер состоит из:

стабилизатора;

источника питания;

усилителя;

микроконтроллера;

цифрового индикатора;

тактового генератора;

Рассмотрим принцип действия частотомера по структурной схеме.

Импульсный сигнал поступает на усилитель входного сигнала, с коллектора которого идет на вход микроконтроллера. Для отображения информации применен цифровой индикатор со встроенным контроллером. Питание поступает на все составные части с источника питания - батареи "Крона" GB1 через стабилизатор.

4. Анализ схемы электрической принципиальной

Рассмотрим принцип действия по электрической принципиальной схеме.

Основной элемент- микроконтроллер PIC12F629 (DD1), работающий по программе. Измерение частоты осуществляется посредством подсчета числа импульсов за фиксированный временной интервал. Используются два интервала - 0,1 с. и 1с. В первом случае для получения частоты число импульсов умножается на 10, во втором - значения числа импульсов и частоты совпадают. Микроконтроллер содержит два таймера- счетчика (TMR0 и TMR1), первый из которых используется для счета импульсов, а второй - для отсчета временных интервалов. Благодаря встроенному асинхронному восьмиразрядному предделителю максимальная измеряемая частота сверху ограничена только скоростью работы его триггеров и не зависит от тактовой частоты микроконтроллера.

Усилитель входного сигнала собран на транзисторе VT1, с коллектора которого импульсный сигнал поступает на вход T0CKI (вывод5), микроконтроллера DD1. Для отображения информации применен цифровой индикатор HT1610 (HG1) со встроенный контроллером. При работе в режиме ведомого вход НК индикатора HG1 соединяют с общим проводом, а данные передаются последовательно 4-битными посылками по линиям D1 и CLK. Ограниченное число линий ввода- вывода микроконтроллера DD1 не позволяет выделить две из них для реализации штатного режима передачи данных, поэтому данные и синхроимпульсы приходиться передавать с выхода GP0 микроконтроллера DD1 через резистивные делители. На вход CLK индикатора HG1 импульсы поступают через делитель R7R9, а на вход DI- через интегрирующий делитель R6R8C8. Для передачи низкого логического уровня (логического 0) на выходе GP0 микроконтроллера DD1 формируется импульс напряжения длительностью 5 мкс. При этом конденсатор С8 зарядиться не успевает, и по спаду импульса на входе DI в индикатор HG1 запишется логический 0. Для передачи логической 1 длительность импульса намного больше постоянной времени цепи R6R8C8, и конденсатор С8 успевает зарядиться до высокого логического уровня, поэтому будет записана логическая 1. Пауза между импульсами также должна быть более постоянной времени цепи R6R8C8, чтобы конденсатор С8 успел разрядиться.

5. Печатная плата

При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоев, критерий материала основания.

С целью повысить безотказность печатных узлов при температурных воздействиях произведено ограничение габаритных размеров печатной платы. Преимущества малых печатных плат перед большими проявляются в ослаблении отрицательного влияния таких явлений, как коробление, ухудшенный теплообмен в центре платы, пониженная ремонтопригодность.

Печатные в зависимости от размера элементов печатного монтажа делятся на пять классов. Платы четвертого класса обеспечивают самую высокую плотность монтажа. Их следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях. Плотность монтажа по классу 3 следует применять только на платах с размерами до 240х240мм, плотность по классу 4 с размерами до 170х170мм.

По конструкции ПП подразделяют на однослойные и многослойные (МПП). Однослойные ПП всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники.

Многослойная ПП состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.

Допустимое рабочее напряжение между двумя расположенными рядом проводниками зависит от минимального зазора между ними.

Если печатные проводники расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).

Большинство деталей частотомера монтируются на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм. Размер печатной платы 36х46мм. Схемотехническое решение частотомера достаточно простое, поэтому можно применить одностороннюю ПП.

Листовой материал основания может быть в зависимости от поставленной перед конструктором задачи изоляционным полимерным, фольгированным полимерным или металлическим.

Для проводников и контактных площадок должны применяться материалы, обладающие малым сопротивлением и хорошим сцеплением с материалом подложки: электрическое сопротивление квадрата пленки проводящих слоев должно быть не более 0,03 Ом.

Наибольшее распространение в практике получила толщина 1,0мм и 2мм, которая допускает получение металлизированных отверстий в основании соответственно 0,32 и 0,48мм (минимальный допустимый диаметр).

Влага является вторым после температуры климатическим фактором, воздействующим на печатный узел и приводящим к отказам. Для защиты ПП от влаги рекомендуется покрыть ее лаком после сборки, что создаст барьер воздействию влаги и загрязнений, предохранит тонкие печатные проводники от разрушающих царапин, полезно повлияет на резонансные механические свойства ПП как упругой пластины, а также защитное покрытие повысит собственную емкость на 20-30%.

Для влагозащитного покрытия лучше использовать лак без растворителя, так как он должен наноситься дважды с промежуточной сушкой, чтобы перекрыть поры, что удваивает трудоемкость влагозащиты печатного узла, т.е. снижает технологичность.

Для нашей ПП используем лак УР-967, так как он обеспечивает высокую адгезию и эластичность (большое относительное удлинение) пленки после нанесения.

По ГОСТ 23741-79 выбираем первый класс (класс А) плотности рисунка печатной платы. Для данного класса плотности имеем:

ширина проводника не менее 0,50 мм;

расстояние между проводниками не менее 0,5-0,6 мм;

разрешающая способность 1,0 линий/мм.

6. Расчет надежности

Коэффициент нагрузки для транзисторов определяется по формуле:

,

где - фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе,

- максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе.

Коэффициент нагрузки для резисторов определяется по формуле:

,

где - фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе,

- номинальная мощность.

Коэффициент нагрузки для конденсаторов определяется по формуле:

,

где - фактическое напряжение, приложенное к конденсатор,

- номинальное напряжение конденсатора.

Фактические значения параметров элементов.

Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве конденсаторов:

Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве резисторов:

Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве транзисторов:

Зная коэффициенты нагрузки, найдём коэффициенты влияния (по справочнику) при температуре t=40 ?C:

1) для конденсаторов

При

При

При

При

При

При

При

При

2) для резисторов:

При

При

При

При

При

При

При

При

При

3) для транзисторов:

При

Выберем из справочника величину и рассчитаем интенсивность отказов :

Для транзисторов:

VT1 1/ч,

;

Для резисторов:

1/ч,

,

,

,

,

,

,

,

,

;

Для конденсаторов С1, С2, С3

1/ч,

,

,

,

,

,

,

;

Для конденсаторов С5

1/ч,

Рассчитаем интенсивность отказов всего устройства, состоящего из 18 элементов по формуле:

,

где - интенсивность отказа i-того элемента.

Средняя наработка на отказ равна:

ч.

Так как, средняя наработка на отказ получилась больше, чем была выбрана изначально, значит расчеты были сделаны верно.

7. Расчет резонансной частоты печатной платы

Так как наше устройство портативное его можно транспортироваться к месту эксплуатации автомобилем, то значит для него частота вынуждающей силы . Рассчитанная резонансная частота гораздо выше частоты вынуждающей силы. Значит, условие виброустойчивости печатной платы выполняется.

8. Расчет теплового режима

Так как потребляемая мощность, потребляемый ток данного прибора (частотомера) малы и он имеет малые габариты, то расчет теплого режима не требуется.

Заключение

В данном курсовом проекте было произведено проектирование и расчет малогабаритного частотомера. В результате проектирования получилось изделие, которое удовлетворяет требованиям технической эстетики; габариты и масса прибора минимальны.

Влагоустойчивость изделия обеспечена за счет применения влагоустойчивых электрорадиоэлементов и элементов конструкции.

При конструировании печатной платы в пункте 5 использовались четыре главных критерия выбора, а также учитывались вспомогательные критерии, которые служат для проверки и уточнения (электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоемкости изготовления, по безотказности и др.).

В пункте 6 произведен расчет надежности и выяснена средняя наработка на отказ частотомера.

В пункте 7 выполнен расчет резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины.

Список используемой литературы

1. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры: Учебник для радиотехнич. спец. Техникумов. М.:Высш. Шк.,1989. -463 с.: ил.

2. Гелль П.П., Н.К.Иванов-Есипович Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры : Учебник для вузов .-Л.:Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние. 1984.-536с,ил.

3. Гуткин А.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств М: Высш. Шк., 1989.

4. Справочник по конструированию РЭА под ред. А.И. Горобец, А.И. Степаненко, В.М. Коронкевич

5. Журнал “Радио” №3 2008г.

6. Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина -- Л.: Энергоатомиздат, 1983

7. Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова -- М.: Сов. радио, 1979

8. Справочник по электрическим конденсаторам; Под ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. -- М.: Радио и связь, 1983.