Проектирование РЭС

1. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1. Заявка на разработку

1.1.1 Назначение: малогабаритный цифровой частотомер предназначен для измерения частоты электрических колебаний.

1.1.2 Выполняемые функции: измерение частоты.

1.1.3 Основные параметры функционирования:

• чувствительность по уровню входного сигнала при измерениях частот до 600 кГц – 8мВ; от 600 кГц до 2,5 МГц – 30 мВ; свыше 2,5 МГц до 100 МГц – около 100МВ;

• абсолютная погрешность измерения частоты в диапазоне от 0 до 20 кГц составляет 3 Гц; от 20 кГц до 2 МГц – 10 Гц; свыше 2 МГц – 100 Гц;

• потребляемый ток от источника питания при измерениях частот до 2,5 МГц ток не превышает 5мА (при выключенной индикации) или 60 мА (при включенной индикации);

• напряжение питания частотометра 9В.

4. Условия эксплуатации:

• температура: Т min = -40С; T max = +60С;

• удары: длительность ударного импульса 5 …. 10мс, максимальное ускорение 98 м/с² , частоты ударов 40….80мин^-1

• вибрации: диапазон частот 10 …. 70 Гц, виброускорение до 37 м/с² ;

• пониженное атмосферное давление: 61 кПа;

• влажность: 93% при Т = 25С;

1.1.5 Транспортировать любым видом транспорта по территории РФ.

1.1.6 Конструктивные особенности: разборный корпус, лицевая панель.

1.1.7 Критерии качества: масса, габариты, стоимость.

1.1.8. Цель разработки: создание многофункционального цифрового портативного частотомера со сниженными массо-габаритными характеристиками, уменьшение его стоимости, повышенной надёжности и эффективности, а также удовлетворяющего требованиям настоящего технического задания.

2. АНАЛИЗ АНАЛОГОВ И ПРОТОТИПА.

2.1 Анализ существующих конструкций частотомеров

Количество аналогов частотомера в мире не поддаётся исчислению.В целом все частотомеры работают по одному принципу: подсчет количества импульсов за фиксированный интервал времени. И в разных схемах этот принцип реализуется по разному. Отсюда и идёт такое разнообразие конструкций. Новое направление в развитии измерительной техники даёт использование микроконтролёров (например схема № 2). Хотя их использование повышает цену прибора во много раз, но пользовательская выгода также возрастает не в меньшее количество раз. Ведь предел измерения можно повысить до 1,2 ГГц, а используя универсальность микроконтролеров и немалое количество денег функции частотомера ограничиваются только фантазией и интеллектом разработчика! В данной работе будут рассматриваться те схемы, которые в наибольшей степени охватывают современные тенденции развития частотомеров.

Анализ аналогов и прототипа Таблица 2.1.

Ниже приводятся схемы приведенных выше аналогов.

Схема №1 – простой аналоговый частотомер, собранный на одновибраторе К155АГ1

Схема №2 – частотомер с использованием микроконтролера К1816ВЕ31

Схема №3 – малоэргономичный комбинированный частотомер, позволяющий измерять ещё и индуктивность различных катушек, резонансную частоту контуров, емкость конденсаторов.

Схема прототипа:

2.2. Анализ разрабатываемой конструкции частотомера

Электрическая принципиальная схема частотомера представленна в Приложении 1.

Разрабатываемый частотомер включает в себя:

• входное формирующие устройство, предназначенного для усиления, преобразования входного сигнала.

• задающего кварцевого генератора с делителем частоты для получения фиксированных и стабильных интервалов времени.

• счётчик делитель частоты импульсов сигнала с цифровыми индикаторами, предназначенного для измерения и отображения измеряемой частоты.

• устройство управления, обеспечивающего установку счётчика на нуль перед измерением и поступление на его вход последовательности импульсов для счёта в течение фиксированного интервала времени,

• блок питания.

В отличае от обычно используемых схем цифровых частотомеров в данной схеме измерение частоты производится однократно, в течении только одного периода нормиронного интервала времени. Третий и последующие положительные перепады напряжения, поступающие на управляющее устройство не изменяют состояния триггеров и клапана. Поэтому измеренное количество импульсов сигнала высвечивается индикатором постоянно. Для повторного измерения следует снова нажать пусковую кнопку SA3, после чего процесс повторяется.

Для питания использованных микросхем требуется 2 напряжения 9 и 5 вольт. Для получения 5 В используется стабилизатор напряжения.

Несколько оригинально осуществляется индикация результатов измерения. Счётчик-индикатор собран из пяти микросхем, каждая их которых содержит счётчик импульсов по модулю 10, дешифратор и семисегментный светодиодный цифровой индикатор с запятой, которая включается по одному из входов 9 в зависимости от положения переключателя SA1.2 Показания счётчика считываться в килогерцах. С помощью тумблера SA4 в процессе между отсчётами индикацию можно выключить, чем достигается экономия энергии элемента питания. На пределе измерения 10Мгц, когда переключатель SA2 находиться в положении, показанном на схеме, показания индикатора необходимо умножать на 10.

Из всего вышесказанного следует, что большинство схем объединено общими недостатками: все они стационарные приборы, имеют сравнительно большие габариты и потребляют значительный ток от источника питания, что вынуждает питать их от сети переменного тока и не допускает использования автономного батарейного питания. Разрабатываемая схема цифрового частотомера лишена указанных недостатков и позволяет создать недорогой многофункциональный малогабаритный прибор.

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОГО КОНСТРУКТОРСКОГО РЕШЕНИЯ

3.1. Внутреннее конструирование.

3.1.1. Внутренняя компоновка.

3.1.1.1. Выбор схемы расположения элементов конструкции и их расположение внутри корпуса блока.

Электрическая схема частотомера представлена в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

Для замены неисправного или отслужившего срок своей годности элемента питания предусматривается отдельное расположение его в правом нижнем углу корпуса в отдельном отсеке, снабжённым съемной крышкой, таким образом получается доступ к батарейке без разбора корпуса. Семисегментные индикаторы вклеиваются в отверстия в корпусе, а переключатели закрепляются в отверстиях с помощью винтового соединения.

Остальные элементы блока смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолиста толщиной 1,5 мм. Плата крепится к основанию блока паралельно, с помощью уголковых скобок и 4-х винтов.

3.1.1.2. Выбор и обоснование компоновочных характеристик ячейки.

В данном случае под ячейкой понимается печатная плата с установленными на ней элементами. Способ установки ЭРЭ – односторонний. Конструкция ячеек - бескорпусная. Форму печатных плат выбираем прямоугольную, что облегчает определение их компоновочных характеристик. Компоновочные характеристики печатных плат – ориентировочное определение массогабаритных характеристик.

При размещении ЭРЭ-тов на печатных платах, ЭРЭ-ты заменяют установочными моделями. При определении площади печатных плат посадочное место ЭРЭ представляет собой проекцию установочной площади на плату. В сумме установочные площади определяют размеры печатных плат. При этом произведение сторон печатной платы должно соответствовать площади печатной платы.

3.1.1.3. Определение массо-габаритных размеров ячейки.

1. Определение установочной площади S_уст элементов. Установочная площадь каждого отдельно взятого элемента выбирается из приложения 1, из таблицы «Перечень элементов схемы и их характеристики».

2. Определение суммарной установочной площади элементов, расположенных на каждой плате:

S_уст = 1,3S_устi ( 1.1)

S_уст = 1,34725,6 = 5624 мм²;

3. Определение площадей печатных плат:

S _n.n. = , (1.2)

где K_s – коэффициент заполнения площади печатной платы, K_s = 0,8

S_n.n = = 7033 мм²;

4. Определение габаритных размеров печатных плат. Из нескольких вариантов соотношений сторон ПП выбрали плату со следующими размерами:

1 плата 65х110;

5. Определение габаритных размеров ячеек. На горизонтально расположенной плате длина и ширина платы будут соответственно равны длине и ширине ячейки:

В = 65 мм, L = 110 мм;

Высота ячейки равна:

Н = max H_э + h_n.n , (1.3)

где max H_э – высота самого высокого элемента на плате,

H – толщина печатной платы.

Н = 9 + 1,5 = 10,5 мм,

6. Определение массы ячеек.

Масса каждой ячейки состоит из массы печатной платы и массы элементов, расположенных на ней.

Масса каждого элемента m_i представлена в приложении 1 в таблице 1.

m_яч = m_nn + m_i , (1.4)

где m_nn = ρхV – масса печатной платы, кг,

ρ – плотность материала платы, кг/м³

V – объем ячейки, м³

m_nn = 2,4х10³9,9х10^-6 = 0,02376 кг.,

m_яч = 0,04025 + 0,02376 = 0,06401 кг.,

Вывод: найдены массо-габаритные размеры ячеек.

3.1.1.4. Выбор способов крепления плат.

Горизонтально расположенную плату крепят на двух П-образных скобках с помощью 4 винтов и гаек, причем винты проходят через плату, скобки и основание.

Скобки изготовлены из алюминия.

3.1.2. Анализ и уточнение варианта.

3.1.2.1. Определение компановочных характеристик корпуса частотомера включает в себя 2 этапа:

1. Определение габаритных размеров корпуса блока,

2. Определение общей массы конструкции блока.

Габаритные размеры корпуса блока определяются исходя из конструкторских соображений.

Определяем ориентировочный объем проектируемой конструкции:

V_ = V_устi, (1.5)

где К_v – обобщенный коэффициент заполнения объема,

V_устi – установочный объем i-го элемента.

В качестве установочного объема i-го элемента выбираем объем ячейки. Тогда формула примет вид:

V_ = V_{яч i} (1.6)

V_ячi = H_iL_iB_i (1.7)

V_яч1 = 6511010,5=75075 мм³ = 750,710^-6м³,

V_ = 750,710^-6 = 93810^-6м³.

Высота корпуса блока определяется по формуле:

H = H_яч +Х₁+Х₂, (1.8)

где H_яч – высота ячейки,

H_яч=95 мм,

Х_1, Х₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок,

Х₁ = 5,5 мм, Х₂ = 5 мм.

H = 10,5 + 5,5 + 5 = 21 мм.

Ширина корпуса блока определяется по формуле:

B = B_яч + Y₁ + Y₂, (1.9)

где B_яч – размер ячейки,

B_яч = 65 мм,

Y₁,Y₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок,

Y₁ = 2,0 Y₂ = 3 мм

B = 65 + 2,0+3 = 70 мм.

Длина корпуса блока определяется по формуле:

L = L_яч + Z₁ + Z₂, (1.10)

где L_яч – размер ячейки, L_яч = 110 мм

Z₁, Z₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячеек в блок,

Z₁ = Z₂ = 2,5 мм

L = 110 + 2,5 + 2,5 = 115 мм

Масса конструкции блока определяется по формуле:

m = m_яч + m_к + m_осн + m_доп, (1.11)

где m_яч– масса ячейки, кг,

m_к – масса корпуса блока, кг,

m_осн – масса основания блока, кг,

m_доп – масса дополнительных элементов, кг.

m = 0,06401 + 0,102 + 0,076 + 0,0165 = 0,25 кг.

Вывод: Определены габариты блока HLB,

2111570,

и масса m = 0,25 кг.

3.1.2.2. Расчет теплового режима блока.

Расчет теплового режима блока производят в 2 этапа:

1. определение температуры корпуса блока t_к;

2. определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з.

Для выполнение расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные:

• размеры корпуса:

- ширина B = 0,070 м;

- длина L = 0,115 м;

- высота H = 0,050 м;

• размеры нагретой зоны lbh, 0,1100,0600,01;

• величина воздушных зазоров между

нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса h_н = 0,005 м,

нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса h_в = 0,0055 м;

• мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р_о = 2,6 Вт;

• мощность радиоэлементов, расположенная непосредственно на корпусе блока Р_к = 2 Вт;

• температура окружающей среды t_о = 25^оС

Этап 1. Определение температуры корпуса.

1. Рассчитываем удельную поверхность мощность корпуса блока:

q_к = P_o/S_к , (2.0)

где S_к – площадь внешней поверхности корпуса блока,

S_к = 2(HB+BL+HL)