Разработка конструкции цифрового синтезатора частотно–модулированных сигналов

Характерной чертой современной радиотехники является использование сложных сигналов, то есть сигналов, у которых произведение длительности на ширину спектра значительно превышает единицу.

Например, в радиолокации применение зондирующих импульсов большой длительности позволяет получить большую энергию сигнала и, следовательно, большую дальность, при допустимой мощности излучения. В то же время применение частотной модуляции позволяет получить широкий спектр сигнала и, следовательно, малую длительность отраженного импульса после сжатия. В результате при большой дальности достигается высокая точность и разрешающая способность.

Целью данного проекта является разработка конструкции цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов, предназначенного для использования в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в.- канала связи с высокой разрешающей способностью по времени групового запаздывания.

В составе л.ч.м. – ионозонда, цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника В данной конструкции, по сравнению с аналогичными приборами, устранен ряд недостатков: упрощен процесс регулирования, максимальное упрощение конструкции и электрической схемы, защищенность от механических факторов, повышена точность измерений.

В ходе дипломного проектирования решаются следующие задачи:

1) Проводится анализ технического задания.

2) Разрабатывается конструкция цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

3) Проводятся расчеты надежности, виброзащищённости, массы изделия, теплового расчета и расчета элементов печатного монтажа.

4) Разрабатываются принципиальные схемы синтезатора.

5) Выбирается элементная база.

6) Разрабатываются, выбираются и обосновываются конструктивные составляющие синтезатора.

7) Выбирается метод монтажа и межсоединений.

8) Производится защита конструкции синтезатора от дестабилизирующих факторов.

9) Разрабатываются вопросы технологии изготовления синтезатора.

10) Экономически обосновывается целесообразность изготовления устройства.

11) С точки зрения охраны труда и экологической безопасности оценивается обеспечение электробезопасности при эксплуатации цифрового синтезатора ч.м.- сигналов.

          Решив все приведенные выше задачи необходимо проанализировать полученные по всем пунктам результаты и сделать окончательный вывод по проекту.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на дипломное проектирование.

Источники разработки

Модуль должен быть спроектирован на основе уже существующих схемных решений аналогичных устройств.

Технические требования.

Технические характеристики.

Разрабатываемый модуль должен иметь следующие параметры:

· диапазон частот от 10*-2 до 2.5*10*6 Гц;

· минимальный шаг изменения частоты – 0.0025 Гц;

· скорость перестройки частоты 1 – 10000 кГц/с;

Конструктивно – технологические требования

Материалы и комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.

Конструкция изделия должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования. Допускается применение специальных приспособлений.

Показатели технологичности конструкции изделия должны соответствовать ГОСТ 14.201 – 73.

Габариты устройства – не заданы.

Масса модуля – не более 3 кг.

Требования к надежности

Наработка на отказ устройства должна быть 2500 часов в нормальных условиях эксплуатации.

Требования к маркировке, эксплуатации и хранению.

Маркировка разрабатываемого устройства должна соответствовать требованиям ГОСТ 21552 – 84. Она должна содержать:

- торговое наименование по ГОСТ 26794 – 85;

- торговый знак и (или) наименования предприятия –изготовителя;

- месяц и год выпуска;

- отметку ОТК предприятия изготовителя;

- порядковый номер изделия по системе нумерации предприятия – изготовителя;

- предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006;

- обозначение стандарта на модуль;

- дополнительные требования (определяет предприятие - изготовитель).

Место и способ нанесения маркировки устанавливаются в ТУ на модуль.

Упаковка изделия должна производиться согласно требованиям ГОСТ 21552 – 84 (3).

Условия эксплуатации должны производиться по ГОСТ 22261 – 94.

Условия хранения должны соответствовать ГОСТ 22261 – 94.

Экономические показатели

Тип производства – мелкосерийное. Предполагаемая программа выпуска – 500 шт. в год.

Назначение и общая характеристика цифрового синтезатора ч.м.- сигналов

Разрабатываемое устройство – синтезатор частотно – модулированных сигналов, может использоваться в ионозонде для исследования ионосферы в к.в.- диапазоне. Прибор позволяет формировать линейные частотно – модулированные сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м.- ионозонда в качестве возбудителя передатчика.

Выигрыш по быстродействию достигается за счет того, что в данном блоке нет сложных операций с массивами входных данных.Синтезатор формирует сигнал треугольной формы, а затем на фильтре нижних часторт выделяется только первая гармоника сигнала. Фильтр нижних частот служит для подавления в спектре выходного сигнала высокочастотных составляющих и настраивается только на пропускание первой гармоники сформированного сигнала. В результате на выходе синтезатора частот формируется сигнал с линейной частотной модуляцией.

Что касается цифрового синтезатора частотно – модулированных сигналов с быстрой перестройкой рабочей частоты, то применение данного синтезатора в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в к.в. ч.м.- ионозонде позволит решать задачи по исследованию быстропротекающих динамических процессов, происходящих в ионосфере, при ее модификации мощным к.в.- излучением, а так – же в условиях сильных магнитосферных и ионосферных возмущений.

В отличие от цифрового синтезатора без быстрой перестройки рабочей частоты, здесь увеличена скорость перестройки частоты благодаря

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Патентный поиск

Целью патентных исследований является получение исходных данных для обеспечения высокого технического уровня и конкурентоспособности объектов техники, для использования современных объектов НТП и исключения неоправданного дублирования исследований и разработок.

Частью патентных исследований является патентный поиск. Поиск проводится для проверки патентоспособности технического решения, установления уровня техники и патентной чистоты объекта, определения условий реализации прав патентообладателя и т. д.

Различают несколько видов патентного поиска:

первый вид:

тематический (предметный) поиск наиболее распространен, его проводят для выявления изобретений (промышленных образцов, товарных знаков), имеющих отношение к исследуемому вопросу.

второй вид:

именной (тематический) поиск направлен на обнаружение документов конкретного лица (фирмы). Чаще всего он является этапом тематического поиска.

третий вид:

нумерационный поиск имеет целью установить ряд обстоятельств, касающихся конкретного охранного документа: его тематической принадлежности, связи с другими документами, правового статуса.

С целью выяснения патентной чистоты проектируемого модуля был проведен патентный поиск глубиной 3 года в результате которого был обнаружен аналог на территории стран СНГ.

Анализ информации, полученной из сети INTERNET, показал, что подобные усторойства разрабартывались в Марийском ГТУ (г. Йошкар - Ола) и НИРФИ (г. Нижний Новгород).

Сигнал с линейной частотной модуляцией (л.ч.м.) применяли в ионозонде для исследования ионосферы в к.в. – диапазоне. Центральное местоо в этом радиокомплексе занимают цифровые синтезаторы л.ч.м. – сигналов, которые должны быть когерентными между собой для зондирования ионосферного к.в. – канала связи с высокой разрешающей способностью по времени группового запаздывания.

Разработанные цифровые синтезаторы частотно – модулированных сигналов были предназначены для работы в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника в составе л.ч.м. – ионозонда.

Для решения задач диагностики ионосферы требуется шаг перестройки не более 0.1 Гц, но в связи с тем, что частота выходного колебания цифрового синтезатора в данной системе умножатся в 16 раз, минимальный шаг по частоте в диапазоне частот до 5 МГц не должен был превышать 0.1/16 это примерно равно 0.006 Гц.

Допустимое время переключения частоты колеблется в широких пределах в зависимости от назначения синтезатора. В частности, при использовании синтезатора в связном приемнике на различных частоотах время переключения может быть порядка секунды; при переключении частот здесь допустимы не только скачки фазы, но и полное кратковременное пропадание сигнала. С другой стороны , при использовании цифрового синтезатора частот в адаптивном радиокомплексе в кольце петли фазовой автоподстройки частоты желательно полное отсутствие переходных процессов при переключении частот (нулевое время переключения).

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА Ч.М. - СИГНАЛОВ

Расчет показателей надежности устройства

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия в основном закладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применением правильных способов хранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. Принимая во внимание выше сказанное, следует определить необходимость специальных мер для повышения или же для стабилизации показателей надежности (8).

В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Для конкретных же объектов и условий эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Применительно к цифровому синтезатору частотно – модулированных сигналов, наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:

- вероятность безотказной работы  - вероятность того, что в пределах заданной наработки, отказ объекта не возникнет;

- средняя наработка на отказ  - отношение суммарной наработки объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки

- заданная наработка  (заданное время безотказной работы) - наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций;

          - интенсивность отказов  - вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после заданного момента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другими словами - это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числу элементов, исправно работающих в данный момент времени.

Оперируя этими понятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведем расчет, приняв следующие допущения:

-отказы случайны и независимы;

-учитываются только внезапные отказы;

-имеет место экспоненциальный закон надежности.

Последнее допущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место только случайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения - закон Пуассона - и вероятность работы в течение времени  равна:

 (3. 1)

Учитывая то что с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы в изделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг от друга, т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого и приводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяется как произведение значений надежности для отдельных  элементов (8):

 (3.2)

С учетом (3.1) получим:

 (3.3)

где - интенсивность отказов -го элемента с учетом режима и условий работы.

Учет влияния режима работы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощью поправочного коэффициента  - коэффициента эксплуатации и тогда  в формуле (3.4) выразится как:

(3.4)

где  - интенсивность отказов - го элемента при лабораторных условиях работы и коэффициенте электрической нагрузки .

Для точной оценки  нужно учитывать несколько внешних и внутренних факторов: температуру корпусов элементов; относительную влажность; уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д. С этой целью может быть использовано следующее выражение:

, (3.5)

где - поправочный коэффициент, учитывающий -ый фактор;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности;

 - поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий.

Все  определяются из справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде  и , как объединенные с  и с .

После этого можно определить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия по формуле:

 , (3.6)

где - число элементов в группе;

 - интенсивность отказа элементов в -ой группе;

 - коэффициент эксплуатации элементов в -ой группе;

 - общее число групп.

Исходные данные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежности приведены в табл. 3.1 Значения интенсивностей отказов взяты из справочников.

Таблица 3.1 - Справочные и расчетные данные об элементах конструкции

Воспользовавшись данными табл. 3.1 по формуле (3.6) можно определить суммарную интенсивность отказов :

 1/час.

Далее найдем среднюю наработку на отказ , применив следующую формулу:

 (3.7)

Итак, имеем:

 часов.

Вероятность безотказной работы определяется исходя из формулы (3.3), приведенной к следующему виду:

, (3.8)

где  время безотказной работы.

Итак, имеем:

Среднее время восстановления определяется последующей формуле (8):

, (3.9)

где