Разработка аналогового модуля управления синтезатором 
Разработка аналогового модуля управления синтезатором
1 СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Анализ технического задания и схемы электрической принципиальной 2. Расширенное техническое задание 3. Выбор элементной базы 4. Конструкторские расчеты 4.1 Расчет элементов печатного монтажа 4.2 Расчет компоновочных характеристик печатного узла 5 Обоснование методов и алгоритмов решения задач 5.1 Задача размещения и ее решение 5.2 Задача компоновки и ее решение 6. Решение задачи трассировки Заключение Список использованных литературных источников Приложение А. Схема электрическая принципиальная Приложение Б. Перечень элементов Приложение В. Чертеж печатной платы Приложение Г. Сборочный чертеж печатной платы Приложение Д. Спецификация ВВЕДЕНИЕ В наши дни всё больше и больше начинает использоваться радиосвязь как в быту, промышленности так и в военных целях. Увеличение числа работающих радиопередатчиков ведет к освоению новых диапазонов и к сужению полосы частот занимаемой радиосигналом. В этих условиях ужесточаются требования к несущим частотам сигнала, так и к параметрам модуляции. До недавнего времени (до 90-х годов прошлого века) в качестве источников несущей частоты использовались генераторы с колебательными цепями в качестве частотозадающих элементов. Затем были предприняты попытки осуществить стабилизацию частоты гетеродина используя цифровой измеритель частоты и только потом была разработана схема с автостабилизацией частоты петлёй фазовой автоподстройки частоты. Такой синтезатор обладает рядом лучших характеристик по сравнению с обычными LC- генераторами. Самой важной из них является то, что выходная частота синтезатора не будет зависеть от внешних воздействий, чего нельзя сказать об обычных генераторах. Самым главным недостатком синтезаторов с фазовой автоподстройкой частоты является наличие в выходном сигнале так называемого фазового шума, образующегося из-за некоторой нестабильности положения рабочей точки фазового детектора, однако существуют методы для снижения этого шума. Сферы применения данного синтезатора могут быть различны. В самом простом случае это быть генератор высокостабильной частоты. Но наиболее часто они применяются в качестве модулей гетеродинов в связной аппаратуре. Благодаря применению синтезатора в радиостанции мы с легкостью получим стандартную или легко перепрограммируемую сетку частот работы, высокую долговременную стабильность частоты. Благодаря применению микроконтроллера в качестве узла управления мы получаем высокую универсальность устройства. Также при желании можно подсоединить через контроллер синтезатор к компьютеру и уже с компьютера управлять радиостанцией. В данном курсовом проекте мы рассмотрим только аналоговый модуль управления синтезатором, так как для удобства он будет изготавливаться в отдельном выносном корпусе 1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ, ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 1.1 Анализ технического задания и схемы электрической принципиальной Заданием на проектирование в данном курсовом проекте является схема электрическая принципиальная устройства “Синтезатор частоты”. Нам необходимо сформулировать расширенное техническое задание на проектирование, проанализировать работу схемы и в соответствии с этим произвести выбор элементной базы будущего устройства, произвести все необходимые конструкторские расчеты и выполнить комплект конструкторской документации, необходимый для изготовления устройства на печатной плате, а для печатной платы спроектировать корпус. Составление топологии печатной платы, а также разводка токоведущих дорожек будут производится в САПР P-CAD. P-CAD является на сегодняшний день одной из самых широко распространенных САПР при проектировании печатных плат, применяемых инженерами. Пакет является наиболее полным и достаточным для создания комплекта конструкторской документации на печатную плату. Синтезатор частоты, рассмотренный в данном проекте, служит для работы в супергетеродинных приёмниках и передатчиках в качестве основного гетеродина. На сегодняшний день синтезаторы частоты почти полностью вытесняют перестраиваемые автогенераторы. Обладая широчайшими сервисными функциями, благодаря применению в качестве основного модуля управления микроконтроллера, они обеспечивают высокую стабильность частоты в любых условиях работы, чего нельзя сказать об обычных гетеродинах. Данный синтезатор является синтезатором косвенного типа с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Генератор управляемый напряжением (ГУН) выполнен на транзисторе VT1. Далее сигнал поступает на усилитель-формирователь выходного сигнала (элементы VT2, VT5, DD3) и на усилитель формирующий сигнал для микросхемы синтезатора DA4. В ней сигнал проходит через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), фазовый детектор. Сигнал с выхода фазового детектора поступает на формирователь выполненный на транзисторах VT6, VT7, которые формируют напряжение управления частотой для ГУНа. В состав микросхемы DA4 входит также делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), сигнал с которого также подаётся на фазовый детектор. Опорный генератор выполнен на транзисторе VT4, его частота генерации составляет 12 МГц. Его сигнал подается на вход ДФКД. Таким образом получаем генератор с автоподстройкой частоты, изменяя коэффициент деления ДПКД на единицу получим шаг перестройки частоты равный частоте сравнения фазового детектора. В нашем случае это 8 кГц. Более мелкий шаг перестройки (до 15 Гц) создаётся сдвигом частоты опорного генератора, для чего служат варикапы VD3, VD4 и ЦАП выполненный на резисторах R9 - R26. Работой ЦАП управляет микросхема DD1. Микросхема DD2 служит для выбора диапазона работы синтезатора [1]. 1.2 Выбор элементной базы Одним из наиболее важным пунктом курсового проектирования является выбор элементной базы. От того, какие компоненты будут применены в данном устройстве, зависят многие показатели, такие как надежность, компактность изделия, его стоимость и многие другие. На сегодняшний день существует много фирм-производителей радиоэлектронных компонентов как отечественных, так и зарубежных: PANASONIC, JEDEC, CENTS, PHILIPS, SUNYO, EPCOS (Siemens+Matsushita), MOTOROLA, TOSHIBA, HITANO, Mitsubishi Electric. и другие. От того, какие требования предъявляются к изделию также, зависит выбор элементной базы. В конструкции синтезатора частоты в качестве пассивных элементов будем использовать элементы для поверхностного монтажа, так называемые SMD компоненты. На сегодняшний день промышленностью выпускается широкий спектр SMD компонентов. Они в первую очередь различаются по размерам. В данном синтезаторе будем использовать резисторы и конденсаторы типоразмеров 0805 поставляемые фирмой Платан. [2] (Рисунок 1.1). Применение столь больших элементов обусловлено тем, что синтезатор будет работать на довольно высокой частоте (до 120 МГц), что в свою очередь позволит свести к минимуму паразитные наводки и связи. Рисунок 1.1 - Внешний вид и габаритные размеры ЧИП резисторов и конденсаторов типоразмера 0805 Рисунок 1.2 - Посадочные места ЧИП резисторов и конденсаторов. В качестве построечных конденсаторов будем использовать конденсаторы фирмы Murata TZ03Z100ER169 [2]. Внешний вид и габаритные размеры которых приведены на рисунке. Рисунок 1.3 - Внешний вид и габаритные размеры подстроенных конденсаторов Рисунок 1.4 - Посадочное место подстрочного конденсатора Транзисторы будем использовать в соответствии с рекомендациями схемы [2]. Внешний вид и габаритные размеры транзисторов приведены на рисунке 1.5. Рисунок 1.5 - Габаритные размеры транзисторов в корпусе типа SOT-23 Рисунок 1.6 - Посадочное место ЧИП транзистора В качестве диодов применим КД409А и в качестве варикапов КВ132А. Эти диоды имеют одинаковые габаритные размеры, то упростит нам дальнейшую разводку печатной платы. Рисунок 1.7 - Внешний вид и габаритные размеры диода КД409А и варикапа КВ132А 1 Рисунок 1.8 - Посадочное место диода КД409А и варикапа КВ132А Микросхемы DD1, DD2, будем использовать в корпусах для поверхностного монтажа типа SO-16 [3]. Габаритные размеры микросхем приведены на рисунке 4. Рисунок 1.9 - Внешний вид и габаритные размеры микросхемы 74HC595
Рисунок 1.10 - Посадочное место микросхем 74HC595. Микросхема-синтезатор DA4 выпускается фирмой Motorola в корпусе типа SOP-20 [3]. Внешний вид и габариты микросхем в корпусе SOP-20 приведён на рисунке 5. Рисунок 1.11 - Внешний вид и габаритные размеры микросхем в корпусе типа SOP-20 Рисунок 1.12 - Посадочное место микросхемы MC12202 Микросхему DD3 будем использовать в корпусе типа DIP-14, так как эта микросхема в корпусе SO-14 дефицитна и дорогостояща [3]. Рисунок 1.13 - Внешний вид и габаритные размеры микросхемы 74AC161 в корпусе DIP-14 Рисунок 1.14 Посадочное место микросхемы 74AC161 В качестве стабилизаторов напряжения (DA1…DA3) будем использовать наиболее распространенные интегральные стабилизаторы 78L05 - на 5 вольт 78L09 на 9 вольт, поставляемые фирмой Платан [3]. Внешний вид этих устройств приведен на рисунке 1.13. Рисунок 1.15 - Внешний вид и габаритные размеры Рисунок 1.16 - Посадочное место стабилизаторов напряжения 78L05 78L09 Кварцевый резонатор используем серии HC-49S, так как эта серия резонаторов одна из самых малогабаритных и доступных [2]. Внешний вид и габаритные размеры резонатора приведены на рисунке 1.15 Рисунок 1.17 - Внешний вид и габаритные размеры резонаторов серии HC-49S Рисунок 1.18 - Посадочное место кварцевого резонатора HC-49S Катушку L1 возьмем стандартную, так как в синтезаторе частоты ее значение индуктивности не очень критично и подбирать число витков при настройке нам не придется. Выберем катушку типа LQW18A так как они содержат открытую намотку, что удобно при допайке отвода от обмотки [2]. 1 Рисунок 1.19 - Внешний вид и габаритные размеры катушки LQW18A Рисунок 1.20 - Посадочное место катушки LQW18A В качестве устройств коммутации будем применять тумблеры SS-309, как наиболее миниатюрные и доступные [2]. 1 Рисунок 1.21 - Внешний вид и габаритные размеры тумблера SS-309 В качестве выходных разъемов используем разъемы PCAxTB на 10 контактов. Эти разъёмы наиболее надёжны так как содержат металлический кожух покрытый слоем лака, предохраняющего разъем от коррозии, что наиболее актуально в условиях морского климата [2]. Рисунок 1.22 - Внешний вид и габаритные размеры разъема PCAxTB. Подстроенный резистор используем фирмы Borns SH-085, так как эти резисторы наиболее дешевы и поставляются фирмой Платан [2]. 1 Рисунок 1.23 - Внешний вид и габаритные размеры резистора SH-085 Рисунок 1.24 - Посадочное место резистора SH-085 В качестве индикатора захвата частоты петлей ФАПЧ используется светодиод L-132 [2]. Рисунок 1.25 - Внешний вид и габаритные размеры светодиода 2 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1. Наименование изделия: “Синтезатор частоты ” 2. Синтезатор частоты представляет собой законченный блок и может подключаться к плате управления или к компьютеру. 3. На передней панели устройства расположен светодиод, индицирующий нормальную работу прибора. Также тумблеры предустановки диапазона выходных частот. 4. Питание Синтезатора осуществляется от адаптера, или батареи аккумуляторов с номинальным значением выходного напряжения 12 В и амплитудой пульсаций не более 100 мВ. 5. Коэффициент применяемости - не менее 0,6. 6. Устройство Синтезатор частоты относится к группе наземной переносной РЭА, которая работает в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями. В условиях тропического морского климата. 7. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы. Температура окружающей среды может изменяться от плюс 1 до плюс 45 °С. Относительная влажность до 80% при температуре плюс 25°С. Вибрация в диапазоне частот 10…30 Гц с ускорением до 2g. Пониженное атмосферное давление - 61 кПа. 8. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 20 тыс. час. 9. Среднее время восстановления не более 4 ч. Гарантийный срок эксплуатации - 2 года. 10. Конструкция устройства должна предусматривать работу оператора с ними без применения специальных мер обеспечения безопасности. 11. Ориентировочная программа выпуска - 100 приборов в год. 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИПо условиям технического задания Корпус представляет собой параллелограмм со скругленными углами и краями, что соответствует требованиям эстетики и дизайна. Цвет устройства - белый. Эти цвета наименее утомляют. Размеры корпуса - минимальные. Выполняем условие компактности.Прибор будет работать в тропическом климате, предполагается наличие в воздухе повышенной влажности и паров агрессивных веществ, а именно морской соли. Воздействие этих веществ на материалы и компоненты РЭА может привести к постепенным и внезапным отказам РЭС. Увлажнение органических материалов сопровождается увеличением диэлектрической проницаемости и увеличением потерь, уменьшением объемного сопротивления, электрической и механической прочностью и т.д. [4] Это обстоятельство обусловило выбор материала корпуса и применение герметизации.Для защиты устройства от воздействия влаги и соли из внешней среды необходимо выполнить герметизацию корпуса. Герметичные конструкции можно разделить на два вида монолитные и полые. Монолитные оболочки составляют неразрывное целое с защищаемым узлом. Существуют монолитные пленочные и монолитные оболочки из органических материалов, выполняющих функции несущих конструкций.Полые влагозащитные оболочки позволяют освободить защищаемые компоненты от механического контакта с оболочкой, то обеспечивает работу в более широком диапазоне температур и исключает химическое взаимодействие оболочки и защищаемого компонента. Полые оболочки, особенно из неорганических материалов обеспечивают более высокую надежность влагозащиты [4].Проанализировав вышесказанное был выбран тип герметизации полой оболочкой, а именно необходимо предусмотреть прокладки в местах соединения собираемых деталей корпуса.Наилучшим, на мой взгляд, материалом для изготовления корпуса будет металл или сплав, так как именно из металла можно изготовить наиболее точный и корпус, который к тому же будет обладать достаточной механической прочностью. Также применение металлических частей корпуса, позволит лучше сдавить резиновую прокладку между частями корпуса, что дополнительно повысит качество герметизации.Разрабатываемый прибор относится к группе переносной РЭА, что говорит о том, что его можно будет транспортировать или переносить в те или иные места. Корпус прибора при этом должен быть эргономичным, удобным для переноски и легким. Наиболее легкими являются магний и его сплавы (плотность с = 1,74 г/см3 [5]), однако стоимость магния довольно большая. Магний с успехом можно заменить алюминием, к тому же алюминиевые сплавы наиболее часто применяются в качестве материалов для изготовления корпусов. Однако плотность алюминия немного побольше (с = 2,7 г/см3 [5]), поэтому корпус получится немного тяжелее, однако это окупится меньшей себестоимостью готового изделия, особенно в условиях массового производства.Сплавы алюминия делятся на деформируемые (когда корпус изготавливается штамповкой) и литейные (корпус производится отливкой). Для синтезатора частоты выбран литейный сплав АЛ2 ГОСТ 2685-75 [5], так как этот сплав наиболее дешев и широко применяется при производстве РЭА.Методом литья создаются две отливки основание и крышка корпуса, далее эти детали подвергаются термической обработке Т1 ГОСТ 2685-75 [5], что повышает пластичность сплава и как следствие улучшает обработку резанием.
Страницы: 1, 2, 3
|
