Цифровая обработка сигналов

Встроенный блок памяти (ВБП) представляет собой ОЗУ емкостью 2048 (4096) бит и состоит из локальной матрицы соединений, собственно модуля памяти, синхронных буферных регистров, а также программируемых мультиплексоров. Сигналы на вход ЛМС ВБП поступают со строки ГМС. Тактовые и управляющие сигналы поступают с глобальной шины управляющих сигналов. Выход ВБП может быть скоммутирован как на строку, так и на столбец ГМС.

Наличие синхронных буферных регистров и программируемых мультиплексоров позволяет конфигурировать ВБП как ЗУ с организацией 256 х 8, 512х4, 1024х2, 2048х1.

Наличие ВБП дает возможность табличной реализации таких элементов устройств ЦОС, как перемножители, АЛУ, сумматоры и т.п., имеющих быстродействие до 100 МГц (конечно при самых благоприятных условиях, реально быстродействие арифметических устройств, реализованных на базе ВБП составляет 10 - 50 МГц).

3.2 Выбор и описание интерфейса

Программная часть состоит из комплекса программ, взаимодействующих друг с другом. Поскольку модуль МЦ 4.01 является процессорным, то для его работы необходима программа, осуществляющая загрузку модуля и взаимодействие с ним. Кроме того, необходима программа для процессоров, установленных на модуле.

По техническому заданию было необходимо разработать комплекс программ для HOST машины и модуля МЦ 4.01, обеспечивающих пересылку, формирование массивов, обработку и отображение данных.

Исходя из этих данных был разработан комплекс программ, состоящий из программы для модуля МЦ 4.01, программы для ПЭВМ с графическим интерфейсом и программы, осуществляющей установку программного обеспечения на ПЭВМ, конфигурирование операционной системы (установка драйверов модуля МЦ 4.01) для обеспечения совместимости.

Программа модуля МЦ 4.01 представляет собой код, написанный на специализированном ассемблере процессоров NM. Данная программа загружается из памяти HOST машины в память МЦ 4.01. Исходя из этой программы модуль считывает данные по LINK портам каждого процессора, осуществляет преобразование данных в формат, понятный HOST машине и отправляет их в свою память. Данная программа работает в режиме реального времени и загружается отдельно для каждого процессора. Таким образом информационные потоки для каждого процессора независимы.

Программа на ПЭВМ предназначена для работы под управлением операционной системы типа Windows XP/2003/2000. Она имеет графический интерфейс и обладает рядом функций. При запуске программа осуществляет поиск модуля МЦ 4.01 в системе и осуществляет его загрузку программой, управляющей процессорами NM. При нажатии соответствующих клавиш, программа на ПЭВМ начинает принимать данные с процессорного модуля в непрерывном режиме. Прием осуществляется либо с одного, либо с другого, либо с двух физических каналов одновременно. При этом происходит вывод данных на осциллограммы в графическом интерфейсе. Можно менять вид кода: дополнительный, прямой, беззнаковый. На осциллограмме отображаются развернутые во времени сигналы с каждого из физических каналов. Линиями разных цветов отображаются сигналы логических каналов. Кроме того, программа позволяет рассчитывать и графически выводить нормированную автокорреляционную функцию сигналов, а также спектр сигналов. Изначально программа рассчитана для работы с комплексными оцифрованными сигналами (поэтому на каждой осциллограмме два логических канала), но существует возможность просмотра действительных сигналов с удвоенной скоростью приема. Существуют гибкие возможности по нормировке сигналов в различных единицах, как по оси абсцисс [отсчет, сек, мс, мкс], так и по оси ординат [ЕМР, В, мВ, мкВ]. При построении спектра осуществляется автоматический перевод единиц в Гц, кГц, МГц. Все настройки вынесены на специальную панель. Существует возможность графического усреднения сигналов по заданному числу отсчетов. Кроме вышеперечисленного, программа осуществляет расчет параметров сигнала: размах амплитуды, максимум, минимум, математическое ожидание, дисперсия, эффективное значение, динамический диапазон и др. Также в программе предусмотрены установки верхних и нижних пределов отображения на графиках по оси ординат, а также количество принятых отсчетов по оси абсцисс.

Для удобства обработки и хранения данных программа имеет возможность записи принятых векторов данных по всем логическим каналам с заданным числом отсчетов. Формат выходного файла: .txt (Блокнот), .xls (Excel), .bin (двоичный формат данных). Также программе есть возможность печати и сохранения данных в формате .bmp (Рисунок) графических данных.

Для удобства использования есть “горячие” клавиши для наиболее часто используемых функций.

При дальнейшем развитии работ в этом направлении предполагается дополнить функционал программы некоторыми полезными функциями: логический анализатор, программный фильтр НЧ, ВЧ, управление входными контроллерами Link портов и др.

Интерфейс программы настраиваемый: позволяет менять размеры осциллограмм и панелей, что немаловажно при работе пользователя. Есть возможность масштабирования графических результатов. Построение спектра и НАКФ_для удобства вынесено на отдельные формы. Каждое графическое отображение может быть развернуто на весь экран монитора ПЭВМ.

Программа-установщик представляет собой один файл, при запуске которого появляется стандартный диалог установки программ. Пользователю предлагается выбрать директорию установки программы, а также возможность добавления ярлыков на рабочий стол и т.п. Установщик записывает данные о программе в реестр Windows, а также устанавливает драйвера для модуля МЦ 4.01 в автоматическом режиме, после чего комплекс программ готов к работе.

Комплекс программно-аппаратных средств, разработанных на данном этапе был протестирован с тестовыми данными, сформированными в пакете Mathcad. Были сформированы исходные комплексные сигналы для двух физических каналов. Затем рассчитаны параметры сигналов, спектр. Исходные вектора были загружены в ПЗУ ПЛИС. Результаты моделирования совпали с результатами, отображаемыми разработанной программой. Затем был проведён тест с реальным устройством, подключенным к программно-аппаратному комплексу, что дало также положительные результаты.

3.3 Разработка и описание проекта ПЛИС с учетом временных диаграмм (моделирование)

Два блока формируют тест. Здесь X и Y - данные. На одном канале на входе сделана земля, а на другом входе записаны некие данные. На другом канале на X и Y только данные, т.е. сделаны некие квадратуры. Стоит счётчик и на него подаётся сигнал MCLK (основной clock) и ST20_MCLK - это некая редкая серия, которая в нашем случае из 40МГц формирует редкий импульс.

На входе выставляются данные, т.е. некие числа, далее стоит мультиплексор. Когда на входе 20_MCLK «0», через инвертор включается «1»,т.е. data1, соответственно, когда «1» через инвертор включается data0. Таким образом, получается, что мы мультиплексируем шину, т.е. сначала с одной памяти стоят данные, потом с другой. Они переключаются, и так в цикле по ST20_MCLK. Данные формируются на входе 20_MCLK. В режиме теста, если сигнал проходит через data1, это означает, что подана «1» на вход sel, который принимает данные. Принимает, и здесь происходит их упаковка. Бит представляет собой X младший, X старший и Y младший, Y старший. В старшем разряде у нас стоит «1», остальные соответственно «0». Получается, что по нулю на входе 20_MCLK, поскольку стоит инвертор, имеем то, что на единичном входе, а по единице то, что на нулевом.

Рассмотрим ситуацию когда стоит «0», т.е режим X. Бит, от которого зависит признак срабатывания, соответственно зависит от 2-х сигналов (XY low [6…0]). Далее у нас стоит элемент «И» с инверсией на входе. Таким образом «1» на выходе только в том случае, когда на входе «11», но так как мы берём с инверсией то «00». Получается, когда «00» выдаётся «1». На входе 20_MCLK в рассматриваемом нами режиме будет «0». Другими словами, два сигнала 20_MCLK и 10_MCLK выдают «00», а это означает, что вырабатывается признак о том, что на входе X младший. X low [6…0] - это младшая часть (6 разрядов - это младшие разряды X). Берётся эта младшая часть и дописывается признак. И получаем 10_MCLK работает таким образом, что если «0», то он берёт младшую часть. В младшую часть в этот момент дописывается «1» - старший разряд, и берётся младшая часть через мультиплексор. Дальше мы берём сигнал STR_OUT и «защёлкиваем» её в выходной регистр. В итоге данные мы защёлкнули. Имеем такую картину как X младший, но потом идёт X старший, т.е. 20_MCLK так и осталось в нуле, следовательно, ещё не переключилось, и данные все стоят, которые были на X. Но при этом мультиплексор перешёл в «1» и взял старшую часть. В старшую часть записывается «0» в старший разряд, потому что нет признака, что это X младший. «0» мы записываем потому, что мы не можем оставить шину «висящей» в воздухе, поэтому мы используем только 7 разрядов, а 8-ой разряд - есть признак. Таким образом, мы мультиплексор перевели на старшую часть и опять же «защёлкнули».

Потом сигнал 20_MCLK переходит в «1» - это уже Y. Дальше мы берём Y. Соответственно через мультиплексор подаётся «1» , которая инвертируется и переходит в «0». Наша задача сделать также Y младший и Y старший, но поскольку у нас сигнал 20_MCLK равен «1»,а 10_MCLK равен «0», «1» уже признака не выдаёт. Этого не позволит схема, потому что комбинация у нас «1», т.е получится «0» в этом разряде. Но при этом мультиплексор по 10_MCLK перевели опять в младшее состояние, но здесь уже «0». Таким образом, мы взяли Y младший. Соответственно при комбинации «11» - мы имеем Y старший. Дальше, этот цикл повторяется!

Из-за портов ввода-вывода сигнал выходит с некоторой задержкой. Для того чтобы это нормально принял процессор, мы должны задать строб сопровождения CSTRB. Он будет «защёлкивать» процессор по отрицательному фронту. Для того чтобы всё сформировать, мы берём STR_OUT. Он такой же, как и CSTRB, но в 2 раза большей длительности. Таким образом, мы подаём сигнал, а также этот же сигнал, но задержанный на один такт. Далее с помощью элемента «ИЛИ» мы их суммируем. Получаем этот сигнал и подаём его на выход. Регистр же здесь ставится для того, чтобы убрать некие дребезги (помехи). Этот результирующий регистр двигает всё, ещё на один такт.

Также в проекте есть CDIR, CRDY и CREO. Они не используются, но необходимы, так как процессор выдаёт некие сигналы и, чтобы не было конфликта, нам их необходимо куда-то принять. В ПЛИС ножки, которые не используются, привязаны к земле. Поэтому мы назначаем именно их, для того чтобы забирать сигналы. Это необходимо потому, что порт мы ставим в режим приёма. Следовательно, при подаче питания у нас автоматически включается непрерывный приём данных. Этого мы достигаем с помощью сигнала CACK.

Во втором канале все аналогично! Отличие лишь в том, что там имеется немного другой тест. Взят крайний случай. Для того чтобы можно было посмотреть как сигнал ведёт себя в статике. Также здесь имеется смесь этих синусоид для тестирования программы, которая расположена непосредственно на ПЭВМ.

На самом деле, мы данные принимаем от некоего устройства. При отключении режима «тест», данные принимаются от исследуемого устройства. Для того чтобы данные нормально принять, нам необходимо их сначала «защёлкнуть» в регистр и только потом проводить с ними обработку или некий анализ.

Таким образом, если мы имеем на входе устройство с 4 каналами соответственно. Скорость данных при этом 10Мбайт/сек. Но пропускная способность одного порта всего 10Мбайт/сек. Мы не можем одновременно смотреть X и Y, поэтому принимаем данные, переключаясь либо на X, либо на Y. В проекте есть мультиплексоры. Они работают, переключаясь, на частоте 10Мгц. То есть идёт меандр, и когда «0» он берёт Y, а соответственно при «1», он берёт X. Здесь пропускная способность до 2 байтов. По 10 Мбайт каждый, получаем 20Мбайт, при этом LINK-порт не может работать. Поэтому мы выдаём ему сигналы 5 и 10МГц. Соответственно мы задаём так, чтобы он принимал сигналы в определенные моменты. Этим и объясняется необходимость брать сначала X, либо переключаться и брать Y.

Все серии в проекте формируются следующим образом. Вырабатываем некий сигнал «фазир», поскольку устройство ни к чему не привязано оно формирует сигналы только для внешнего устройства. Формируем в качестве счётчика. Счётчик на 16000 отчетов, который считает вниз, т.е. он начинает считать с 16000. У него есть выход переполнения cout, т.е. есть какое-то максимальное значение. Счётчик начинает считать не с нуля и 16000 является для него переполнением. В этом случае он выдает некий сигнал. Есть сдвиговый регистр. По этому сигналу «фазир» мы загружаем сдвиговый регистр неким числом 524288. Если это число перевести в двоичный код, то получим в старшем разряде «1», а остальные все «0». На дальнейшем такте эта «1» «едет вниз». Когда мы подаем команду на сдвиг «1» «переезжает» дальше, т.е. загружая «1» в старший разряд, она в итоге переходит в младший и т. д. Всё это находится в цикле и, в нашем варианте - 20 разрядов, это дает деление на 20. Если у нас 40Мгц мы делим на 20 и получаем 2 МГц. Имея простую элементарную логику, мы можем формировать любой сигнал.

Например, сигнал 20_MCLK формируется следующим образом. ms10 стоит на установке RS-триггера. По этому сигналу выставляется «1» и по ms20 он сбрасывается и т. д. Соответственно сигнал 10_MCLK формируется аналогично.

Таким образом, мы берем сигналы, какие нам необходимы и как нужно их формируем. Особенность в том что, если мы ставим какую-то логику, в ПЛИС так заведено, что сначала ставится некая логика, поскольку у неё плавающая задержка - она не стабильна, а затем ставиться регистр.

Контроль работы проекта и его дальнейшая настройка проводится с помощью временных диаграмм. На рисунке изображена временная диаграмма, объясняющая принцип вывода информации с ПЛИС.

3.4 Описание принципа работы электрической принципиальной схемы и ее анализ

Разработка принципиальной схемы стенда проводилась исходя из всех требований на функциональное назначение. Основным элементом на электрической принципиальной схеме является программируемая логическая интегральная схема. Управление же устройством, а также синхронизация осуществляется, так называемой, россыпной логикой.

Разъем предназначен для программирования ПЛИС, причем доступны два варианта:

- тестовый - ПЛИС «прошивается» напрямую, в обход ПЗУ, что позволяет сберечь ресурс последней, но требует повторения «прошивки» после каждой перезагрузки ПЛИС, а потому применим этот вариант только для отладки;

- рабочий - ПЛИС «прошивается» через ПЗУ (EPC 2), и, в дальнейшем также при каждой перезагрузке автоматически подгружает проект из памяти.

В ПЗУ ALTERA Flex10K (EPC 2) используется интерфейс JTAG. ПЗУ имеет конечное число перепрожиганий при отладке. Есть порт. Когда мы компилируем проект, для JTAG ПЛИС формируется файл sof, для ПЗУ формируется файл pof. При отладке мы используем JTAG. Прожигаем и при выключении питания конфигурация сбрасывается, т.к. используется технология SRAM - статическая память. По JTAG мы грузим ПЗУ. Она конфигурирует данные, и при выключении питания они остаются в ПЗУ. При последующем включении питания контроллер, который стоит в ПЗУ определяет, что есть ПЛИС, и загружает в неё все данные. Всё это работает по интерфейсу BYTEBLASTER. Этот интерфейс тоже выведен отдельно и по нему также можно загрузить файл. Это сделано для отладки и проверки правильности работы интерфейса.

Также в схеме стоит стабилизатор напряжения. На вход подаётся 5В, а с выхода имеем 3,3В - это для питания плис и для питания ПЗУ.

В схеме есть компаратор с дифференциальными входами. Стоит трансформатор для развязки по цепям и землям. На трансформатор подаётся некая опорная синусоида. Дальше имеются дифференциальные обмотки, которые включены парафазно. Таким образом, сигнал подаётся на дифференциальный вход, и с выхода компаратора мы получаем два противофазных сигнала (+IN,+ OUT и -IN, -OUT). В конечном итоге мы получаем частоту, деленную в 2 раза на тех же ножках «+» и «-». После компаратора мы можем взять любую ножку OUT «+» или «-», и вывести на ПЛИС.

Также в схеме имеются разъёмы. При этом все чётные - это земля, а которые нечётные - сигнальные.

В схеме имеются нагрузочные резисторы, которые служат для подавления высокочастотных пульсаций при переключениях. У входа любой микросхемы есть некая входная ёмкость, и есть проводник - некая индуктивность - колебательный контур. Может создаваться помеховый уровень и отрицательный выброс, который может микросхему вывести из строя. Для того чтобы этого избежать на какой-то линии ставится резистор , что снижает добротность контура, но расширяет полосу. Делают RC цепочку - это фильтр низкой частоты, благодаря которому высокочастотные пульсации не проходят. Для этого и служат нагрузочные резисторы в нашей схеме.

Принципиальная электрическая схема стенда приведена на двух листах.

3.5 Расчет потребляемой мощности устройства

Потребляемую мощность оценим с помощью раздела Evaluating Power цифровой библиотеки фирмы ALTERA (ALTERA Digital Library).

Чтобы оценить мощность, необходимо выполнить следующие операции:

1. Вычислить и оценить потребляемую мощность.

2. Вычислить максимальную мощность устройства.

3. Сравнить полученные значения.

В таблице 1. Указаны переменные необходимые для оценки потребляемой мощности:

Наименование:	Единица измерения:
ICCSTANDBY	mA
К	µA/(MHz Ч LE)
fMAX	MHz
N	LE
ICCINT	mA
Pint	mW
MCTON	LE
MCDEV	LE
MCUSED	LE
PDCOUT	mW
CAVE	Pf
PACOUT	mW
PIO	mW
PEST	mW
иJA	° C/W
TJ	° C
ТA	° C
PMAX	W

Оценка потребляемой мощности.

Используем следующую формулу, чтобы вычислить потребляемую мощность P_EST:

P_EST = P_int + P_IO ,

Где:

P_int = I_CCINT Ч V_CCINT

P_IO = P_ACOUT + P_DCOUT

Следовательно:

P_EST = (I_CCINT Ч V_CCINT) + (P_ACOUT + P_DCOUT)

Оценка мощности может быть получена по этим формулам , но при этом необходимо учесть рассеянную мощность портов ввода-вывода P_DCOUT. Она зависит от числа установленных выводов, логических уровней, которыми они управляют, и загрузки, имеющей сопротивление на каждом выводе, как это учтено в следующей формуле:

,

в нашем случае это выражение приблизительно равно нулю;

где, P_DCn - выходная мощность постоянного тока выходного сигнала n.

В таблице 2 показана мощность, рассеянная портами вывода с напряжением 5В и 3.3В под типичными типами загрузок.

Нагрузка	PDCn(mW)
1-K Нагрузочный резистор для низких выходных сигналов	0,49
1-K Согласующий резистор для высоких выходных сигналов	5,04
Биполярный для низких выходных сигналов	0,16
Биполярный для Высоких выходных сигналов	0,0576
Входы КМОП (CMOS inputs)	Незначительный

P_ACOUT зависит от ёмкостной нагрузки на каждом выходном сигнале и частоты , как показано в следующей формуле:

,

где:

a - количество выходных ножек

C_n - ёмкостная нагрузка

V_n - напряжения выходного сигнала

f_n - частота переключения

В нашем случае напряжение питания ввода-вывода V_CCIO = 3,3В

Следующее уравнение показывает частоту каждого выходного сигнала:

f_n = (0,5) Ч f_MAX Ч tog_IO

В итоге мы имеем следующую формулу:

P_ACOUT = (0,5) Ч OUT Ч C_AVE Ч V_O Ч f_MAX Ч tog_IO Ч V_CCIO

В таблице 3 указаны значения V_CCIO и V_O для Altera® devices.

VCCIO (V)	VO (V)
5.0	3.8
3.3	3.3
2.5	25

Следующая формула используется, чтобы вычислить максимум мощности устройства:

.

Максимальная мощность зависит от максимальной температуры перехода (T_J) кремния, окружающей температуры (Т_A), и теплового сопротивления (и_JA). Максимальная температура перехода и значения тепловых сопротивлений определены в одном из разделов библиотеки фирмы ALTERA (ALTERA Digital Library).

Расчёт и оценка потребляемой мощности для Altera EPF10K.

Потребляемый ток: I_CCSTANDBY = 0.500 mA

Коэффициент для вычисления I_CC: K = 45 µA/(MHz Ч LE)

Максимальная частота: f_MAX = 50 MHz

Количество логических элементов, используемых в устройстве:

N = 2,747 LE

Среднее отношение логических ячеек: tog_LC = 0.125

Ток потребления ядра: I_CCINT = I_CCSTANDBY Ч K Ч f_MAX Ч N Ч tog_LC;

I_CCINT = 773.09 mA

Напряжение питания: P_int = V_CCINT Ч I_CCINT;

P_int = 2551.2 mW

Мощность по постоянному току : P_DCOUT = P_DCn = 0 (поскольку ПЛИС нагружена на КМОП);

Средняя емкостная нагрузка: C_AVE = 35 pF

Количество выходных двунаправленных выходов: OUT = 150

Среднее отношение портов ввода-вывода: tog_IO = 0.125

Мощность по переменному току:

P_ACOUT = (0,5) Ч OUT Ч C_AVE Ч 3.3V Ч f_MAX Ч tog_IO Ч 3.3V Ч 0.001;

P_ACOUT = 178.66 mW

Полная мощность: P_IO = P_DCOUT + P_ACOUT, P_IO = 178.66 mW

Оцененная полная мощность: P_EST = P_int + P_IO

P_EST = 2729.86 mW

Вычисление максимальной мощности устройства.

Тепловое сопротивление: и_JA = 8 ° C/W

Максимальная температура перехода: T_J = 85 ° C

Окружающей температуры: Т_A = 40 ° C

Максимальная мощность устройства: P_MAX = (T_J - Т_A)/ и_JA;

P_MAX = 5.625 W

Сравнение максимальной и оцененной мощностей.

Должно быть верным выражение P_EST < P_MAX.

Имеем, P_EST = 2.729 W и P_MAX = 5.625 W

Следовательно, P_EST < P_MAX.

3.6 Расчет быстродействия устройства

Поскольку проектирование велось в САПРе, нет необходимости оценивать быстродействие ручными методами. В данной работе быстродействие определено с помощью временного анализатора (Timing Analyzer) САПРа Max+Plus 10.0 Baseline.

Задержка при пуске: 5,9 нс;

Задержка при переключении тактовым сигналом: 2,9 нс

Поскольку тактовый сигнал устройства привязан к глобальному тактовому сигналу в кристалле, то задержка появления сигнала на выходе относительно положительного перепада на входе clk: 3нс.

Максимальная рабочая частота составляет 135, 13 МГц.

3.7 Расчет тестовых сигналов

Для точного расчета и моделирования сигналов воспользуемся программой MathCad.

§ B : = rnorm - это функция, которая формирует шум.

§ Функция mean рассчитывает мат.ожидание.

§ Stdev рассчитывает эффективное значение.

Сформируем шум и синусоиду, рассчитаем их параметры и соответственно получим их графическое изображение:

- мат. ожидание

- эффективное значение



Рис.1

C(k) - случайный процесс (шум);

S(k) - синусоида; E(k) - аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды.

- мат.ожидание случайного процесса B;

- эффективное значение случайного процесса B;

- мат.ожидание синусоиды;

- эффективное значение синусоиды;

- мат.ожидание аддитивной смеси сл.процесса и синусоиды;

- эффективное значение смеси сл.процесса и синусоиды.



Рис.2

Рис.3

Re(G_i) - действительная часть; Im(G_i) - мнимая часть; | G_i | - модуль.

Аналогично формируем смесь двух синусоид:



Рис.4

Получаем спектр:

Рис.5

3.8 Экспериментальная часть

Мы рассчитали сигналы для проверки стенда. Для проверки программного обеспечения и самого стенда мы сделали тест. Сделали некие реальные цифровые сигналы, которые смоделировали в MATHCAD, где и рассчитали параметры и спектры этих сигналов. Мы запрограммировали ПЛИС, привели её в режим теста. Соответственно сигналы проходят через весь тракт, поступают в программу, и программа рассчитывает и выдаёт их параметры на экран. В итоге мы оцениваем правильность работы всего устройства целиком и работу программного обеспечения, написанного для нашего устройства.

Ш Мы получили сигналы:

§ Аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды:

§ Аддитивная смесь двух синусоид:

А также их спектры:

§ Аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды:

§ Аддитивная смесь двух синусоид:

Рассчитанные нами сигналы и их параметры совпадают с экспериментом, что свидетельствует о исправной и правильной работе самого устройства и программного обеспечения.

4. Конструкторская часть

4.1 Выбор и обоснование принципов конструирования

Особенности конструктивного построения блоков и стендов цифровой обработки сигналов определяются:

- применением передовых схемно-технических решений и новых технологий, что приводит к комплексной миниатюризации;

- унификацией базовых модулей и составных узлов;

- созданием единой технологии их, изготовления сборки и последующего контроля;

- требованием к транспортировке всеми видами транспорта.

Опираясь на указания по конструированию, блоки и ячейки с микросхемами, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) компонуются на базовых конструкциях, состоящих из следующих конструктивных модулей:

- ячеек на печатных платах;

- шасси блоков.

Стенд размещается в объеме одной типовой секции базовой несущей конструкции (БНК).

4.2 Конструктивное построение МПП

Стенд состоит из БНК и МПП с установленной на ней ПЛИС Altera EPF10K100ARC240. Под микросхемой на нижнем слое расположены конденсаторы ёмкостью 0.1 мкФ С10С13, по одному на каждую сторону ПЛИС. На МПП цепи питания разведены в отдельных слоях в виде полигонов с вырезами для переходных отверстий. Цепь питания +5 В для микросхемы выведена трассами шириной не менее 1.5 мм.

Требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям соответствуют климатическим и механическим воздействиям, оговоренным в программе и методике испытаний изделия.

Стенд сконструирован в соответствии со схемой электрической принципиальной 441-Э-6430 Э3 и перечнем элементов 441-Э-6430 ПЭ3.

Стенд выполнен на многослойной печатной плате с размерами 105190 мм². Количество слоев - четыре (два в виде полигонов для цепей питания).

На МПП вместо микросхемы D2 (ПЗУ конфигурации ПЛИС) должна быть установлена соответствующая панель-держатель типа PLCC-20SMT.

Конструкция стенда серийно-способна и соответствует общим правилам технологичности по ГОСТ 14.201.83.

Электрический монтаж печатной платы контролепригоден.

4.3 Конструктивное построение БНК

Стенд выполнен на БНК с габаритами 28522034 мм³, с многослойной печатной платой с размерами 105190 мм².

На лицевой панели стенда предусмотрены девять посадочных мест для индикаторов типа 3Л341В аА0.339.189ТУ.

На аппаратуру воздействуют четыре вида механических нагрузок:

1. Вибрация

2. Удары

3. Линейные и центробежные ускорения

4. Шум и акустические удары

Разрабатываемая конструкция должна быть предельно жесткой, но и механически прочной, без излишних неоправданных затрат по массе.

Изготовление каркасной конструкции шасси осуществляется с применением сварочных и резьбовых соединений.

5. Технологическая часть

Для металлических деталей, применяемых в конструкции характерна коррозия, происходящая под действием влаги, содержащейся в атмосфере. Поэтому необходимо выбрать материалы для деталей данной конструкции, учитывая конструктивные требования по защите конструкции от климатических факторов внешней среды (КФВС).

Коррозийная стойкость может быть обеспечена выбором материалов, стойких к климатическим воздействиям, либо использовать полимерные или эмалевые покрытия (пленкой), созданием на поверхности деталей химических соединений. Также возможно комплексное применение антикоррозийных мер защиты конструкции и отдельных деталей.

Основу конструкции БНК составляет каркас, выполненный из стандартного профиля 191540008Д ГОСТ 8617-81/ГОСТ 13737-86. Этот сплав в отличие от дюралюминия Д16 хорошо поддается аргонодуговой сварке (за счет добавок кремния) и удовлетворительно обрабатывается резанием.

5.1 Технология изготовления печатной платы

Новое качественное развитие современной радиоэлектроники основано на широком применении микросхем различной сложности в качестве основных компонентов электронных систем. Сложность и большая функциональная плотность современной аппаратуры требует огромного числа коммутационных соединений.

Многослойный печатный монтаж позволяет практически реализовать сложную коммутацию большого числа компонентов схемы в новейших конструкциях аппаратуры, выполненной в микроминиатюрном исполнении. Многослойные печатные платы (МПП), имея ряд особенностей, сохраняют все основные свойства обычного печатного монтажа:

а) возможность массового механизированного производства;

б) точную повторяемость рисунка схемы от платы к плате;

в) относительную простоту выполнения монтажных соединений компонентов схемы и возможность их замены;

г) возможность механизации сборочно-монтажных и регулировочных операций при изготовлении аппаратуры;

д) дальнейшее сокращение веса и габаритов аппаратуры и т. д.

К отличительным особенностям МПП следует отнести:

а) более высокую удельную плотность рисунка печатных проводников и выводных точек (контактных площадок);

б) более высокую стабильность всех параметров печатной схемы при изменении внешних условий за счет размещения всех проводников внутри однородного материала.

Как уже отмечалось, многослойные печатные платы отличаются относительно сложной технологией и высокой трудоемкостью изготовления; основным недостатком их является невозможность внесения изменений и устранения дефектов в готовой плате.

Многослойная печатная плата -- это сложное изделие, которое обусловливает ряд новых требований к материалам, технологическим процессам, технологическому оборудованию, производственным помещениям, организации производства и подготовке специальных кадров.

Многослойный печатный монтаж нашел применение для коммутации разнообразных компонентов: стандартных дискретных элементов, различных модульных блоков и функционально законченных плоских схем в запаянных корпусах или залитых компаундом, интегральных схем в цилиндрических или плоских корпусах.

Одна многослойная печатная плата может объединить большое число сложных компонентов радиоэлектронной системы, обеспечивая значительную экономию места и веса и в то же время эффективно уменьшая количество внешних выводов по сравнению с тем, что потребовалось бы в случае применения традиционных принципов монтажа.

Важная особенность многослойного печатного монтажа в разрешении многих проблем, связанных с взаимными помехами. Осуществляется она введением в конструкцию плат экранирующих слоев. Многослойные печатные платы позволяют совмещать цепи постоянного и переменного токов в одной конструкции платы, при этом экранированием исключается их взаимное влияние.

Как и любое новое направление в технике, в поисках простейшего решения многослойный печатный монтаж в начале своего развития получил много различных конструктивно-технологических направлений.

Разновидности методов изготовления МПП определяются способом получения межслойных соединений.

Рис. 5.1

МПП - 8 слоев, попарного прессования,изготавливаются из двухстороннего фольгированого диэлектрика.

В отечественной промышленности существует два конструктивно-технологических направления в технологии изготовления МПП:

изготовление МПП с применением химико-гальванических процессов для получения межслойных соединений в плате в процессе ее изготовления;

изготовление МПП без межслойных соединений и получение их

последующей пайкой или сваркой.

Изготовление МПП с применением химико-гальванических процессов имеет три разновидности:

металлизация сквозных отверстий;

попарное прессование;

послойное наращивание.

Изготовление МПП без межслойных соединений в плате имеет две разновидности:

открытые контактные площадки;

выступающие выводы.

Перечень основных технологических операций изготовления МПП по принятым пяти разновидностям приведен в рис. 5.2.

Рис. 5.2 Перечень основных технологических операций изготовления МПП

По литературным данным около 80% всех МПП за рубежом изготавливается методом сквозной металлизации отверстий.

Анализ развития техники и технологии производства МПП в отечественной промышленности и опыта зарубежных фирм показывает, что метод металлизации сквозных отверстий наиболее перспективный.

5.2 Технология изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий

При выполнении технологического' процесса изготовления многослойных печатных плат требуется более высокая точность исполнения каждого слоя с более жесткими допусками на размеры, соответственно необходимо оборудование повышенной точности, необходимо выполнить достаточно сложную новую операцию--прессование и тщательней провести операцию металлизации отверстий. Поэтому изготовить многослойную плату сложно. Метод изготовления МПП металлизацией сквозных отверстий заключается в склеивании (прессовании) одновременно всех печатных слоев платы с помощью стеклоткани, пропитанной лаком (смолой). Межслойные соединения выполняются в виде металлизированных отверстий, соединяющих наружные и внутренние слои платы.

Рисунок схемы внутренних слоев МПП выполняется на заготовках из одностороннего или двухстороннего фольгированного диэлектрика фотохимическим методом.

Рисунок наружных слоев выполняется комбинированным позитивным методом после прессования МПП.

В склеенной МПП после нанесения рисунка схемы на наружные слои (до операции травления) сверлят сквозные отверстия. Эти отверстия располагаются в узлах координатной сетки, по которой выполнен рисунок схемы. Точность выполнения отверстий по координатам должна быть обеспечена в пределах ±0,05 мм. Это необходимо для обеспечения совмещения отверстий с контактными площадками на каждом слое. Диаметр отверстий, как уже говорилось об этом раньше, должен быть не менее 1/з толщины платы, только в этом случае могут быть гарантированы условия для качественной металлизации.

Операция металлизации отверстий -- одна из основных в процессе изготовления МПП данным методом. От качества металлизации существенно зависит качество самой платы. Через металлизацию в отверстиях электрически соединяются все слои МПП. Для того чтобы соединение слоев было надежней, перед металлизацией выполняют операцию подтравливания диэлектрика. Для этой цели используют 80%-ный раствор серной кислоты, а затем плавиковую кислоту.

В результате подтравливания диэлектрика площадь контакта на внутренних слоях увеличивается, что и гарантирует более надежное соединение слоев.

Процесс металлизации отверстий аналогичен тому, который применяется при изготовлении печатных плат комбинированным методом.

Однако на операции гальванической металлизации стремятся использовать электролиты с повышенной рассеивающей способностью.

Для металлизации МПП в последнее время разработан электролит следующего состава: CuS04-5H₂0 -- 200 г/л; H₂S0₄-- 100 г/л; (NH₄)₂S04 --40 г/л; (NH^C^Oe -- 20 г/л.

Электролит приведенного состава позволяет получать осадок хорошего качества при плотности тока до 3 а/дм² и ^=18-=-22°С При температуре 40-^-50° С допустимая плотность тока до 5 а/дм².

После осаждения меди схему защищают слоем гальванического серебра или ПОС-61. Затем удаляют защитный слой фоторезистора и производят операцию травления наружных слоев

МПП.

Изготовленные платы проходят операцию механической обработки по контуру и маркировку.

Готовые платы проходят 100%-ный контроль по электрическим- параметрам на специальных стендах-автоматах с программным управлением.

После контроля платы консервируются, упаковываются в специальную тару и направляются на сборку.

На платы, изготовленные методом сквозной металлизации отверстий, могут устанавливаться навесные элементы с осевыми и планарными выводами.

В многослойных печатных платах формируется практически полностью экранированная линия передачи. Обеспечивается максимальная локализация электромагнитного поля, а, следовательно, и максимальная точность расчетов электрических параметров через геометрию сечения, что в свою очередь сильно увеличивает помехозащищенность МПП.

Наличие большого числа слоев позволяет реализовать практически любую топологию.

6. Экономическая часть

6.1 Введение

В экономической ситуации нашего времени у предприятий появляются большие возможности для выбора типа деятельности, дальнейшего совершенствования, развития выхода на мировой рынок и т.п. Но для того, чтобы в условиях свободного рынка продукция предприятия пользовалась повышенным спросом, она должна содержать в себе множество различных свойств и удовлетворять большому числу требований как внутри страны (стандарт ГОСТ Р ИСО 9001-96), так и международным стандартом. На сегодняшний день только такие предприятия являются благополучными.

При создании нового устройства или прибора исследователи и конструкторы всегда должны учитывать не только современную и техническую, но и экономическую сторону проводимой разработки. Экономический анализ дает возможность выбрать наиболее эффективный вариант новой техники, способствующий внесению в создаваемую конструкцию таких улучшений, которые позволили бы получить необходимые результаты при наименьших материальных, трудовых и денежных затратах. Одним из оптимальных вариантов достижения таких решений является прогрессивная форма планирования - бизнес-план.[1]

Бизнес-план составляется в целях эффективного управления и планирования бизнеса и является одним из основных инструментов управления предприятием, определяющих эффективность его деятельности.[1]

Сам по себе бизнес-план - это краткое, точное и ясное описание целей нового или действующего бизнеса, а также средств и способов их достижения. В условиях современного рынка и жестокой конкурентной борьбы предприятие должно уметь быстро и адекватно реагировать на изменения, происходящие во внешней среде и внутри самого предприятия. Эти факторы являются не маловажными при разработке нового устройства.[1]

Бизнес-план позволяет сделать оценку текущего состояния экономики, сильных и слабых сторон производства, показать достоинства и выгоду предполагаемого проекта и привлечь инвестора, который вложит свои средства в тот или иной проект, который с достаточной вероятностью гарантирует ему получение максимальной прибыли.[4]

Данный бизнес-план посвящен разработке стенда регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени.

6.2 Предприятие и отрасль, в котором оно занято

Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники (ВНИИРТ) является основоположником отечественных РЛС обнаружения, наведения и целеуказания. ВНИИРТ занимается разработкой различных образцов военной техники и вооружения в интересах Сухопутных войск, Военно-Морского Флота и Военно-Воздушных Сил, специализируясь на военной радиотехнике, телемеханике, спецрадиосвязи и автоматике. Эта отрасль промышленности относится к военно-промышленному комплексу. То есть отраслью ВНИИРТа является военная и специализированная радиолокация и радиотехника.

Основными направлениями деятельности являются:

* комплексные исследования по проблемам радиолокационного обнаружения перспективных средств воздушного нападения, разработка РЛС межвидового назначения для СВ, ВВС и ВМФ, РЛС двойного применения для систем ПВО и УВД;

* функциональные и прикладные исследования в области системотехники РЛС и их составных частей;

* создание эффективных средств защиты РЛС от высокоточного оружия;

* исследования и разработка методов и средств полунатурного моделирования и испытаний РЛС;

* разработка автоматизированных тренажёров;

* разработка приборов функциональной акусто- и оптоэлектроники;

* конверсионные разработки: РЛС подповерхностного зондирования Земли; РЛС контроля движения автотранспорта; медицинское оборудование; приборы контроля окружающей среды, радиотермографические приборы.

6.3 Описание организации работ

Данная работа относится к классу ОКР, поскольку помимо основной части работ - разработки конструкторской документации, рассматривается так же и разработка технического проекта.

Технический проект разрабатывают, если это предусмотрено техническим заданием, протоколом рассмотрения технического предложения или эскизного проекта.

Технический проект разрабатывают с целью выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции изделия, когда это целесообразно сделать до разработки рабочей документации.

При необходимости технический проект может предусматривать разработку вариантов отдельных составных частей изделия.

В этих случаях выбор оптимального варианта осуществляется на основании результатов испытаний опытных образцов изделия.

При разработке технического проекта выполняют работы, необходимые для обеспечения предъявляемых к изделию требований и позволяющие получить полное представление о конструкции разрабатываемого изделия, оценить его соответствие требованиям технического задания, технологичность, степень сложности изготовления, способы упаковки, возможности транспортирования и монтажа на месте применения, удобство эксплуатации, целесообразность и возможность ремонта и т.п.

Перечень необходимых работ определяется разработчиком в зависимости от характера и назначения изделия и согласовывается с заказчиком, так как изделие разрабатывается по заказам Министерства обороны.

6.4 Описание продукта

Радиолокация сама по себе, есть область радиотехники, обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, то есть их обнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторых структурных или физических свойств путем использования отраженных или переизлучённых объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения.[3]

Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. Именно его распознавание и даёт возможность установить некоторые характерные признаки цели.[3] Именно стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени, чья разработка и будет производится, поможет нам в получении необходимой информации.

Необходимость разработки данного проекта вызвана тем, что аналог имел устаревшую элементную базу. В качестве современной элементной базы в данном устройстве будет использоваться программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).

Программируемые логические интегральные схемы становятся в последнее время все более распространенной и привычной элементной базой для разработчиков цифровых устройств. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной емкостью более 1 миллиона логических вентилей. Цены на ПЛИС неуклонно падают, что напрямую связанно с появлением новых производителей, которые продвигают на рынок более современные и доступные схемы, содержащие в себе новейшие архитектуры. Это даёт возможность их применения в цифровой технике в гораздо более крупных масштабах, нежели ранее. В настоящее время быстродействие ПЛИС достигло небывалых величин, что позволяет реализовать многие алгоритмы в радиодиапазоне. Использование современной элементной базы повышает надёжность, ремонтопригодность, уменьшая габариты устройства и затраты на его производство.

Одним из основных заказчиком ОАО «ВНИИРТ» является государство, а именно, Министерство Обороны РФ. В выпускаемой нами продукции заказчика привлекает высокое качество данной продукции, современность технологий и что самое главное специализация предприятия. Главным источником финансирования будет являться государство. В рамках договора исполнители обязуются разработать устройство в срок и в полном объёме. Приём продукта осуществляет представитель заказчика.

В экономической части дипломного проекта производится экономический анализ. Данную работу можно отнести к ОКР, так ее результатом является разработка технической документации на стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени.

6.5 Оценка рынка и конкурентоспособности

Несмотря на мировой экономический кризис, который привёл к снижению финансирования и сворачиванию программ многих государственных предприятий, Россия по-прежнему остается одной из ведущих стран мира в области проектирования и изготовления подобных систем. При изготовлении может быть использована как импортная, так и отечественная элементная база. Изделие ориентированно на нужды военных.

Рынок подобного оборудования в России, в основном, является закрытой, секретной, оборонной областью и финансируется целиком Государственным бюджетом. Вследствие чего можно сказать, что разрабатываемое устройство не будет иметь серьезных конкурентов, как на российском, так и на зарубежном рынке, что делает его востребованным.

6.6 Прогнозирование спроса

Учитывая то, что данный проект выполняется по государственному заказу, то прогнозирование спроса не имеет смысла. Возможные заказы зарубежных стран пока рассматриваются как гипотетические.

6.7 Маркетинг

Разрабатываемое изделие - стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени. Для повышения точности, надёжности, а так же уменьшения габаритных параметров используется современная электрорадиоэлектронная база. Цена изделия обусловлена применением дорогих материалов и новейших технологий, однако, за счёт этого обеспечиваются повышенные технологические и покупательские требования, предъявляемые к данному виду продукции. Продвижение изделия на рынке можно представить по двум направлениям: это напрямую внутреннему клиенту, Министерству обороны, либо в третьи страны через посредника, которыми с большой долей вероятности может стать «Рособоронэкспорт» ввиду специфики разрабатываемой продукции.

Надежность и не высокая стоимость является одним их главных достоинств разрабатываемой аппаратуры. Именно на этом стоит акцентировать внимание возможного клиента, также необходимого его убедить в том, что компания производитель сможет взять на себя все обязательства связанные с гарантийным и пост-гарантийным обслуживанием и ремонтом в течение всего срока службы изделия. Дальнейшее развитие отрасли предприятия станет немаловажным, что приведёт к модернизация производства, закупки новых технологий, оборудования и со временем разработки новейшей аппаратуры. Грамотное использование громадного научного потенциала коллектива, даст возможность для создания более современных и конкурентоспособных радиоэлектронных устройств. В условиях рыночной экономики это условие является гарантом обеспечения будущего для предприятия, что заставит обратить на него внимание большинство развитых стран, это в свою очередь может привести к вливанию новых инвестиций, а значит к заказам и возможному сотрудничеству с предприятиями заинтересованными в наших услугах.

6.8 Организация производства

Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники относится к опытному или мелкосерийному производству, оборот выпускаемой продукции не превышает нескольких единиц в год, этот показатель не является высоким, но данная ситуация вызвана еще и тем, что институт в первую очередь считается проектной организацией, в чьи задачи входит разработка продукции, а не её промышленный выпуск.

Поставщиками материалов являются различные предприятия радиоэлектронной промышленности, основными продуктами производства которых являются радиоэлектронные компоненты. Также в число поставщиков входят некоторые заводы по металлам и сплавам для несущих конструкций. Деловые контакты и связи со всеми этими предприятиями налажены, что не вызовет неудобств при создании данного проекта.

Во ВНИИРТе продукция изготавливается с помощью оборудования станкостроительных заводов и специальных приборов. Внедрение прогрессивных технологических средств является неотъемлемой частью для модернизации производства. В этом случае необходима закупка новых типов оборудования, как в России, так и за рубежом. Для работы на новом оборудовании и с новыми технологиями, будет необходимо повышение квалификации персонала, увеличение заработной платы и привлечение консультантов, которые помогут внедрить новые технологии на наше предприятие, а также менеджеров высокого звена из экономических структур, способных организовать производство. Высокий уровень профессионализма персонала окажет влияние не только на производство, но и на престиж предприятия, что в будущем может благоприятно сказаться на привлечении перспективных молодых сотрудников предприятия.

Кадровый вопрос является чуть ли не основным в наше время, в связи с низким уровнем зарплат, вызванным экономическим кризисом в стране и недостаточным финансированием госпредприятий, произошла утечка высококвалифицированных кадров. Привлечение опытных специалистов, при условии предоставления соответствующей зарплаты также поспособствует восстановлению кадрового состава предприятия.

Так же стоит сконцентрировать внимание на базовых кафедрах во ВНИИРТе, где ведущие специалисты предприятия преподают на высоком уровне основные дисциплины студентам, которые могли бы восполнить кадровый дефицит. В настоящее время эти кафедры довольно быстро и широко развиваются, а значит в будущем сможет дать большое количество рабочих мест для молодых специалистов. При условии обеспечения соответствующих окладов большинство из них могли бы остаться на нашем предприятии, так как ВНИИРТ может предоставить молодым специалистам интересную и перспективную, а с учетом переоборудования, и работу, идущую в ногу со временем. А в наше время это является основополагающим фактором для развития предприятия и привлечения новых кадров.