Проект базового блока радиотелефона

.

Реактивное сопротивление катушки равно

,

тогда индуктивность катушки равна

.

Реактивное сопротивление конденсатора равно

,

а емкость конденсатора равна

.

Реактивное сопротивление конденсатора определится как

,

где сопротивление можно принять равным .

Тогда

,

а емкость равна

.

Реактивное сопротивление конденсатора найдем по формуле

.

Следовательно емкость конденсатора равна

.

Реактивное сопротивление катушки равно

,

тогда индуктивность катушки равна

.

На этом расчет входной цепи можно считать законченным.

4.2.3 Расчет частотно-модулированного автогенератора

Основным средством получения частотно-модулированных колебаний являются в настоящее время автогенераторы, колебательные системы которых содержат электрически управляемые емкости - варикапы. В расчете подобного рода устройств можно выделить две основные части: расчет режима работы транзистора и расчет колебательной системы( КС), которые в значительной мере не зависимы друг от друга. Поэтому каждую из частей можно выполнять первой, а ее результаты использовать в качестве исходных данных для другой части расчета. Расчеты производятся применительно к заранее выбранной принципиальной схеме автогенератора, однако в результате расчета может потребоваться уточнение или даже выбор другого варианта схемы.

Приводимый ниже расчет носит приближенный, оценочный характер в силу следующих причин.

Параметры транзисторов имеют значительный разброс, который не учитывается методиками расчета, приводимыми в учебной литературе, а в справочниках общего пользования не указываются его пределы.

Для повышения стабильности частоты в задающих автогенераторах всегда используется недонапряженный режим, при этом для определения амплитуды установившихся колебаний нужно строить диаграммы срыва и смещения /7/. Но вследствие сложности это построение в учебном проектировании не используется.

С другой стороны, мощность, потребляемая автогенератором, обычно не превышает 50 мВт, поэтому его энергетические показатели слабо влияют на промышленный КПД передатчика: выходная мощность автогенератора определяется автором проекта и при необходимости ее можно изменить.

С учетом вышесказанного приведем следующий порядок расчета, основанный на методиках и рекомендациях, изложенных в /8/. Для наглядности расчета вначале будем приводить методику, а затем уже и сам расчет.

Расчет режима транзистора подразделяется на следующие этапы:

1. КПД контура автогенератора и электронный КПД выбираются соответственно в пределах 0,1…0,5 и 0,3…0,6. Тогда мощность колебаний

, (4.5)

а рассеиваемая транзистором мощность

. (4.6)

2. Тип транзистора выбирается по условиям:

,

,

где - предельно-допустимая мощность рассеивания;

- граничная частота транзистора;

- рабочая частота автогенератора.

3. Для расчета необходимо иметь следующие справочные данные транзистора:

- предельно-допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;

- предельно-допустимое напряжение между базой и эмиттером;

- предельно-допустимый коллекторный ток;

- емкость коллектора;

- сопротивление базы;

- статический коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером;

- напряжение точки излома проходной вольт-амперной

характеристики (ВАХ).

4. Предварительный выбор режима транзистора определяется следующими соотношениями:

постоянное напряжение между коллектором и эмиттером

, (4.7)



среднее значение тока коллектора

, (4.8)

высота импульса

. (4.9)

5. По статическим проходной и входной ВАХ можно найти крутизну характеристик коллекторного и базового токов. Эти величины определяются как дифференциальные при токе . Если ВАХ не приведены, то рассчитывают величины

,(4.10)

и затем

.(4.11)

6. Инерционность транзистора учитывается величиной

.(4.12)

После ее расчета можно найти модуль крутизны транзистора на рабочей частоте

,(4.13)

и ее фазу

, (4.14)

Где

.

7. Далее следует выбрать коэффициент обратной связи автогенератора и значение параметра регенерации . Величина ограничена требованием избежать пробоя эмиттерного перехода, а также перегрузки транзистора по току и рассеиваемой мощности. Однако на данном этапе расчета воспользоваться соответствующими соотношениями, приводимыми в литературе, затруднительно, так как они зависят от угла отсечки. Поэтому пока можно учесть только ограничение, накладываемое предельно допустимой величиной эмиттерно-базового напряжения

,(4.15)

а остальные условия проверить позже.

Параметр регенерации показывает, с каким запасом выполняется условие самовозбуждения. С увеличением возрастает надежность работы автогенератора в изменяющихся условиях эксплуатации, но одновременно увеличивается и вероятность установления перенапряженного режима.

8. При правильном выборе цепи автосмещения амплитуда переменного напряжения на коллекторе

.(4.16)

Сопротивление колебательной системы, пересчитанное к выводам коллектор-эмиттер, равно

,(4.17)

.(4.18)

Если это значение превышает найденное по формуле (4.15), надо взять меньшую величину или пересмотреть предварительный выбор режима.

Величина представляет собой один из коэффициентов спектрального разложения косинусоидального импульса. Зависимость его, а также коэффициентов , , от угла отсечки приведена в /8/. Термин «угол отсечки» здесь имеет довольно условный смысл, так как форма коллекторного тока обычно существенно отличается от последовательности косинусоидальных импульсов. Тем не менее, величины , , , широко применяются в расчете маломощных автогенераторов. Угол отсечки можно найти по известной величине , воспользовавшись /8/.

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

.(4.19)

Тогда

, (4.20)

, (4.21)

. (4.22)

Если хотя бы одно из условий (4.20), (4.22) не выполняется, следует выбрать другой тип транзистора.

11. Если , то целесообразно ввести в цепь базы фазирующий элемент . Для определения ее величины необходимо оценить входную проводимость транзистора. Поскольку сдвиг фаз между первой гармоникой базового тока и возбуждающим напряжением не достигает больших значений /7/, можно считать входную проводимость транзистора активной

.(4.23)

Тогда

, (4.24)

а коэффициент обратной связи нужно увеличить до значения

.(4.25)

12. Нагрузка автогенератора обычно подключается параллельно выводам коллектор-эмиттер транзистора. Требуемое сопротивление нагрузки

.

Теперь, после описания методики расчета можно произвести непосредственно сам расчет.

Предположим, что наш автогенератор должен отдавать мощность 1 мВт на требуемой частоте .

Выберем , а с учетом довольно высокой рабочей частоты автогенератора .

Тогда по формулам (4.5),(4.6) найдем

,

.

Выбираем транзистор ГТ311Е или ГТ311И, данные которого таковы:

, , , , ,

, , ,. Согласно (4.7), выбираем . Тогда из (4.8),(4.9) имеем:

,

,

По формулам (4.10)-(4.14) определяем параметры транзистора:

,

,

,

,

,

,

.

По формуле (4.15) вычислим

.

Исходя из (4.16), принимаем . Имеющиеся в литературе рекомендации указывают весьма широкие пределы для выбора ; выбираем . Тогда по формулам (4.17),(4.18)

,

,

.

По этой величине определяются , , /8/. По формулам (4.19)-(4.22) находим

,

,

,

.

Так как фаза крутизны значительна, следует ввести в схему фазирующую емкость. По формулам (4.23)-(4.25)

,

,

.

Требуемая нагрузка

.

На этом расчет режима транзистора можно считать законченным.

Расчет колебательной системы зависит от выбранной принципиальной схемы ЧМАГ. Наиболее распространены автогенераторы, построенные по емкостной трехточечной схеме. В них КС с подключенными паразитными емкостями транзистора является одноконтурнй, что исключает возможность возникновения колебаний на частотах паразитных контуров /7/.

Схема такой колебательной системы приведена на рисунке 4.9. Точки К, Э, Б соединяются (по высокой частоте) соответственно с коллектором, эмиттером и базой транзистора.

Рисунок 4.9 - Схема колебательной системы частотно-модулированного автогенератора

Используя методику, изложенную в /3/, можно провести расчет такого ЧМАГ в следующем порядке:

1. Емкости делителя определяются по результатам расчета режима транзистора. В нем не учитывались проводимости транзистора в предположении, что они значительно меньше проводимостей соответствующих ветвей колебательной системы. Для емкости , включенной между эмиттером и базой, это предположение можно записать следующим образом:

. (4.26)

Тогда емкость между эмиттером и коллектором

. (4.27)

2. Далее, согласно /3/, следует выбрать варикап. Критерии выбора следующие:

высокая добротность варикапа;

большое допустимое обратное напряжение ;

- паспортная емкость варикапа должна быть такого же порядка, как .

3. После выбора варикапа становятся известными его параметры:

- емкость, имеющая разброс , измеренная при напряжении (обычно 4 В);

- добротность , измеренная на частоте ; на рабочую частоту она пересчитывается по формуле

; (4.28)

ток (или сопротивление) утечки .

4. Исходными данными для дальнейшего расчета являются:

максимальная девиация частоты ;

диапазон модулирующих частот ;

- допустимые коэффициент гармоник и сдвиг центральной частоты .

5. После выбора варикапа вычисляют величину смещения на нем в телефонной точке (режим молчания)

, (4.29)

и его емкость

. (4.30)

В формулу (4.30) и далее подставляются абсолютные величины напряжений ,, а показатель зависит от типа варикапа, чаще всего . Контактную разность потенциалов можно принять равной 0,7 В.

Для уточнения требований к линейности модуляционной

характеристики определяют сдвиг центральной частоты

. (4.31)

Если не выполняется условие

, (4.32)

то нужно вычислить новое значение из равенства (4.31).

7. Нормированная амплитуда модулирующего сигнала

. (4.33)

Во втором сомножителе знак «+» соответствует , а знак «-» - Амплитуда модулирующего напряжения

. (4.34)

8. Интегральная помех а создается в основном пульсациями напряжения смещения. Допустимая их величина определяется неравенством

, (4.35)

Где Аип - защищенность от интегральной помехи.

В наших расчетах мы не будем использовать это выражение.

9. Расчет колебательной системы завершается с помощью коэффициентов:

включения варикапа

; (4.36)

- схемы , который рекомендуется выбирать в пределах 0,7…0,9 для нашей схемы;

управления

. (4.37)

Рассчитав и выбрав , можно найти

, ,(4.38)

и коэффициент

. (4.39)

Тогда

. (4.40)

10. Коэффициент паразитной амплитудной модуляции

, (4.41)

где нагруженная добротность

, . (4.42)



11. Амплитуда колебаний на варикапе

.(4.43)

12. Индуктивность контура

, . (4.44)

Произведем расчет применительно к нашей схеме. В качестве исходных возьмем следующие технические данные:

, , , ,

.

По формулам (4.26)-(4.27)

,

.

Выбираем варикап КВ-110А, у которого

при , при

, , ,



При рабочей частоте его добротность

.

Выбираем

.

Тогда

.

По формулам (4.31)-(4.32)

.

Согласно (4.33)-(4.35)

,

.

Принимаем и по формулам (4.37)-(4.40) рассчитываем

,

,

,

,

.

Очевидно, что такой маленькой емкости в схеме не должно быть, поэтому примем ее для начала равной . При проведении эксперимента мы сможем убедиться: является ли это значение верным или придется изменить емкость .

Согласно (4.42)

,

.

Амплитуда высокочастотного напряжения на варикапе

,

.

Эквивалентная емкость контура

,

а его индуктивность

.

Расчет автогенератора можно считать законченным только после того, как мы произведем расчет цепей питания транзистора и варикапа. Перед тем как мы произведем сам расчет цепей питания, приведем методику этих вычислений.

1. В цепях питания маломощных ступеней радиопередающих устройств (РПУ) обычно избегают применения дросселей, заменяя их резисторами. Схема цепей питания транзистора в общем случае имеет вид, показанный на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Схема цепей питания транзистора



2. Собственная добротность колебательной системы определяется, в основном, потерями в катушке. Потери в варикапах обычно можно не учитывать, так как их добротность не ниже 100 и, кроме того, они слабо связаны с контуром. В диапазоне 1…100 МГц добротность катушки может быть в пределах 50…300 в зависимости от конструкции и материалов, из которых она изготовлена.

3. Требуемая добротность колебательной системы с учетом шунтирующего действия цепей питания

. (4.45)

Выбрав

, (4.46)

можно найти собственное сопротивление колебательной системы, пересчитанное к точкам коллектор-эмиттер:

. (4.47)

Тогда сопротивление цепи питания

. (4.48)

4. В зависимости от схемы включения или . Если слишком велико, его можно заменить блокировочным дросселем

.(4.49)

Если не выполняется условие (4.46), нужно изменить принятое значение и провести расчет заново или ограничиться меньшей выходной мощностью и внести, при необходимости, изменения в структурную схему РПУ.

5. Правильный выбор сопротивления важен для обеспечения недонапряженного режима работы автогенератора. Минимальное значение можно оценить по следующей формуле /8/

. (4.50)

Обычно лежит в пределах 0,1…3 кОм. В схеме с общим эмиттером резистор нужно шунтировать конденсатором:

. (4.51)

6. Напряжение питания

, (4.52)

где

, (4.53)

. (4.54)

Питание автогенератора осуществляется, как правило, через параметрический стабилизатор напряжения. Если задано низкое напряжение питания , целесообразно в начале расчета выбрать , , в цепях питания использовать блокировочные дроссели, а вместо резистора применять стабилизатор тока, например на полевом транзисторе.

Сопротивление делителя в цепи базы

, (4.55)

, (4.56)

, или . (4.57)

Теперь расчет цепей питания транзистора можно считать завершенным и остается рассчитать цепи питания варикапа.

Ток делителя можно выбрать

, (4.58)

где - справочная величина.

Тогда

, .(4.59)

9. Сопротивление должно быть таким, чтобы в нем терялась небольшая часть мощности колебаний

. (4.60)

При этом относительный коэффициент передачи высших модулирующих частот снижается до величины

, (4.61)

которая не должна быть ниже, чем 0,8…0,9; в противном случае вместо нужно включить дроссель, индуктивность которого можно определить по выражению (4.49).

10. Емкость определяет частотную характеристику модулятора на низших частотах. Полагая , получим

, .(4.62)

После расчета параметров всех элементов схемы необходимо выбрать по справочной литературе конкретные типы резисторов и конденсаторов с ближайшими номинальными значениями.

Итак, методика расчета цепей питания транзистора и варикапа приведена и теперь можно произвести соответствующие расчеты.

Полагая, что транзистор включен по схеме с общей базой, , , по формулам (4.45), (4.47)-(4.48) вычислим

,

,

Сопротивление в эмиттерной цепи выбирается из условия

.

Принимаем , тогда

,

,

.

Сопротивления делителя в цепи базы равны:

,

,

,

.

По формулам (4.58)-(4.62) рассчитываем цепь подачи смещения на варикап

,

,

,

,

,

,

.

4.2.4 Расчет усилителя низкой частоты

Мы определили, что для получения заданной в ТЗ девиации частоты амплитуды сигнала с выхода микросхемы недостаточно. Следовательно, необходим усилитель низкой частоты. В качестве УНЧ выберем микросхему К174УН4А и ее стандартное включение, представленное на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Схема включения микросхемы К174УН4А

Эта микросхема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению 4…40 раз, чего будет достаточно для правильной работы модулятора. С помощью подстройки резистора R1 (см. рисунок 4.11) можно добиться требуемого коэффициента усиления по напряжению на этапе настройки устройства.

В приложении В приведена принципиальная схема приемника-преобразователя.



5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИЕМНИКА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

5.1 Постановка задачи

В качестве экспериментальной части данного проекта проведем исследование приемника-преобразователя. Приемник-преобразователь состоит из двух основных частей: самого приемного устройства и частотного модулятора. Эти две части являются независимыми друг от друга.

Приемник выполнен на базе микросхемы МС3362Р. При этом использовалась типовая схема ее включения. Поэтому при проведении эксперимента никаких изменений номиналов элементов схемы не предвидится. При макетировании же частотного модулятора есть вероятность некоторых изменений в его схеме.

Все снятые характеристики и результаты должны быть статистически обработаны, следовательно, необходимо определиться с методикой обработки результатов. Для того, чтобы уменьшить влияние случайных погрешностей на точность результата воспользуемся многократными измерениями.

5.2 Экспериментальное исследование частотного модулятора

В результате макетирования был собран макет частотного модулятора. Перед снятием характеристик необходимо проверить работоспособность и произвести настройку устройства. При подаче напряжения питания на схему модулятора, на выходе наблюдаются колебания синусоидальной формы. Для оценки частоты генерации воспользуемся частотомером Ч3-35. Путем точной настройки индуктивности контура модулятора с помощью сердечника добиваемся частоты колебаний 49,120 МГц. Однако при измерении частоты колебаний частотного модулятора видим, что относительная нестабильность несущей частоты оказывается того же порядка, что и требуемая девиация частоты. Такое явление недопустимо. Следовательно, необходимо улучшить относительную нестабильность частоты. Этого можно достичь введением в схему кварцевого резонатора (КР), который стабилизирует несущую частоту автогенератора вследствие своих свойств /9/.

В настоящее время для частотной модуляции колебаний кварцевого автогенератора наиболее пригодны схемы с кварцем в контуре /9/. Они дают наименьшие нелинейные искажения при заданной девиации частоты. Тогда исходная схема колебательной системы частотного автогенератора, представленного на рисунке 4.9, примет вид, как показано на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема колебательной системы частотного модулятора с кварцевой стабилизацией частоты

Согласно требованиям ТЗ, на выходе приемника-преобразователя необходимо получить несущую частоту 49,120 МГц. Это говорит о том, что для кварцевой стабилизации частоты необходим кварцевый резонатор на ту же частоту (или очень близкий к заданной).

Сложная ситуация на рынке радиокомпонентов делает невозможной приобретение кварцевого резонатора на 49,120 МГц (такие резонаторы отсутствуют). Поэтому, для проведения эксперимента применим близкий из имеющихся в продаже. Этим оказался кварцевый резонатор на частоту 51,766 МГц.

При кварцевой стабилизации частоты колебаний модулятора, варикап не включают в контур частично, как это делают в LC-автогенераторах, а включают полностью /9/. Коэффициент включения варикапа в первоначальной схеме модулятора обеспечивали конденсаторы и . Для полного включения варикапа необходимо исключить из схемы конденсатор , а конденсатор заменить перемычкой.

Кварц включается последовательно с варикапом.

В процессе макетирования была собрана новая схема частотного модулятора и проверена его работа.

Путем точной настройки катушки с помощью сердечника добиваемся частоты колебаний 51,766 МГц. При изменении напряжения смещения на варикапе убеждаемся в возможности перестройки частоты.

Наиболее важной характеристикой частотного модулятора является статическая модуляционная характеристика (СМХ). Выбранную при расчете частотного модулятора нелинейность СМХ, составляющую не более 5%, можно достичь только при использовании в схеме корректирующей цепочки, включенной параллельно кварцу (см. рисунок 5.1).Произведем снятие СМХ модулятора, используя метод многократных измерений. Структурная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Схема экспериментальной установки снятия СМХ

Для изменения напряжения смещения на варикапе вместо постоянных резисторов, задающих это смещение, применим резистор с переменным сопротивлением. Путем изменения сопротивления этого резистора осуществляем изменение напряжения смещения на варикапе, которое измеряем с помощью осциллографа С1-79. Частоту колебаний измеряем частотомером Ч3-35.

Для съема характеристики произведем измерение соответствующих величин в девяти точках. Для каждой точки проведем пять измерений. Измеряемые величины представлены таблицей 5.1.

Для обработки результатов применим методику, предложенную в /10/. Обозначим измеряемую величину буквой f. При расчетах будем полагать, что случайная погрешность имеет нормальное распределение, а систематическая погрешность отсутствует. Расчет произведем для первой точки СМХ.

Определим среднее арифметическое результатов измерений по формуле:

Таблица 5.1

Результаты измерений

ЕСМ, В	Частота генерации, Гц
	1	2	3	4	5
3	51762004	51761956	51762010	51761970	51761955
4	51762904	51762854	51762860	51762873	51762864
5	51763750	51763744	51763780	51763720	51763750
6	51764620	51764601	51764590	51764580	51764585
7	51765210	51765200	51765180	51765220	51765225
8	51765950	51765940	51765900	51765925	51765937
9	51766590	51766580	51766610	51766625	51766624
10	51767550	51767320	51767301	51767310	51767314
11	51768051	51768034	51768011	51768001	51768045

,

где- число измерений;

- результат i-го измерения.

Все расчеты проведем с помощью пакета математических программ Mathcad 8.0. В приложении Г приведена распечатка фрагмента программы на Mathcad 8.0, с помощью которой производились расчеты.

Тогда среднее арифметическое результатов измерений равно

.



Проверим результаты измерений на содержание грубых ошибок (промахов). Для этого вычисляем оценку среднеквадратического отклонения результатов измерений:

.

Получаем . Находим результат измерения , для которого отклонение от среднего арифметического является наибольшим:

.

Вычислим относительное отклонение

.

Задаемся уровнем значимости по таблице из /10/: .

После чего определяем значение отвечающее этому и числу измерений : .

Так как , то заключаем, что результаты измерения не содержат промахов.

Теперь рассчитаем оценку среднеквадратического отклонения среднего арифметического:

.

Получаем . По таблице из /10/ определяем коэффициент стьюдента , отвечающий доверительной вероятности равной и числу измерений равному : .

Вычисляем значение

Теперь можно записать окончательный результат в виде

,

где значение округляется.

Аналогичным образом производим вычисления для всех остальных точек. Результаты вычислений приведены в таблице 5.2.

По результатам расчетов строим зависимость частоты от смещения . Полученный график представлен на рисунке 5.3.

Так как по ТЗ необходимо получить девиацию частоты , то из графика видно, что постоянное напряжение смещения на варикапе должно составлять примерно , а амплитуда модулирующего напряжения около .

Таблица 5.2

Результаты статистической обработки измеренных данных

3	5161979	26,325	51762010	1,178	11,773	18,012
4	5162871	19,698	51762904	1,675	8,809	13,478
5	5163749	21,382	51763780	1,459	9,562	14,630
6	5164595	15,897	51764590	1,560	7,109	10,877
7	5165207	17,888	51765880	1,509	8,000	12,240
8	5165930	19,191	51765900	1,584	8,583	13,131
9	5166603	18,226	51766580	1,306	8,151	12,471
10	5167319	18,655	51767350	1,662	8,343	12,764
11	5168029	20,700	51768001	1,208	9,257	14,164

Необходимо оценить коэффициент нелинейности СМХ. Определим его графически по рисунку 5.3, как отношение максимального отклонения реальной СМХ от идеальной (линейной) к величине диапазона изменения частоты. Он равен

..

Рисунок 5.3 - Статическая модуляционная характеристика частотного модулятора

Как видно, полученный коэффициент нелинейности удовлетворяет требованию ТЗ.

5.3 Экспериментальная проверка работы всего устройства

Как уже говорилось ранее, при макетировании частотного модулятора не удалось приобрести кварц на частоту , поэтому проверим работу приемника-преобразователя блока подвижного объекта (так как тема дипломного проекта является групповой и макетирование выполнялось совместно).

Приемник-преобразователь является основным узлом блока подвижного объекта, поэтому необходимо экспериментально проверить его работу.

Сперва поставим задачу. Приемник преобразователь должен обеспечивать прием радиосигнала радиотелефоннной трубки на частоте 49,120 МГц и осуществить перенос его спектра на частоту СВ-диапазона. Необходимо экспериментально проверить выполнение этих функций.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Схема экспериментальной установки

Питание приемника-преобразователя осуществляется от блока питания Б5-8. Для контроля настройки приемника и качества приема используем динамическую головку 02-ГД-1. Для определения факта переноса спектра воспользуемся СВ-трансивером ALAN 78 PLUS, который настроим на частоту 27,120 МГц в режим приема. В качестве приемной и передающей антенн приемника-преобразователя используются отрезки проводов. Расстояние между приемником-преобразователем и радиостанцией должно быть небольшим, так как излучаемая мощность частотного модулятора очень мала и отрезок провода не является хорошей антенной.

В самом начале эксперимента проверяем исправность радиотелефона. Для этого осуществляем передачу речи через трубку на приемник базы радиотелефона. В громкоговорителе базы слышна отчетливая речь с характерными искажениями, вызванными ограничениями спектра речевого сигнала. Кроме того слышен свист, который исчезает при выключении трубки. Настройку приемника осуществляем по наличию вышеуказанного свиста. При точной настройке приемника на частоту 49,120 МГц в динамической головке слышен свист и отчетливая речь ассистента, который находится с включенной радиотелефонной трубкой в другом конце лаборатории. Кроме того заметны шумы, уровень которых существенно ниже уровня речевого сигнала. Следует заметить, что свист не влияет на степень разборчивости речи и при непрерывном разговоре малозаметен.

Следующим шагом подключаем вход модулятора, а громкоговоритель отключаем. Перед этим настраиваем модулятор на частоту 27,120 МГц. Осуществляем передачу речи через радиотелефонную трубку. В громкоговорителе СВ-трансивера слышна передаваемая речь и характерный свист. Качество речи хуже, чем при настройке приемника и уровень шумов выше, однако разборчивость речи сохраняется. Следовательно приемник-преобразователь выполняет свои функции.

В результате опыта можно сделать выводы о работе устройства. Спроектированное устройство выполняет свое назначение по переносу спектра. На качество речи безусловно сказался тот факт, что ни в приемнике, ни в трансивере не использовались хорошие антенны и не осуществлялось их хорошее согласование со входом приемника и трансивера.

Для нормальной эксплуатации устройства необходимо усилить сигнал модулятора и провести более детальную настройку всех узлов, в частности с учетом согласования со входной и выходной антеннами.

приемный устройство радиотелефон автогенератор

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ПРИЕМНИКА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Методы соединения отдельных элементов схемы проводниками практически не поддаются механизации и поэтому являются малопроизводительными. Рост выпуска радиоэлектронной аппаратуры за последние десятилетия привел к созданию новых методов конструирования аппаратуры, одним из которых является метод печатных плат.

Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.

Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник - участок токопроводящего покрытия, нанесенный на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины.

Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажом образует печатную плату.

По конструкции печатные платы делятся на однослойные и многослойные.

Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней, если на двух сторонах - то двухсторонней.

Многослойная печатная плата состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.

Процесс изготовления изоляционной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций /11/:

- создание изображения печатных проводников путем копирования изображения с негатива на светочувствительный слой, печатание изображения защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы;

- создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.

Широкое распространение получили три способа создания токопроводящего слоя /11/:

- химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик;

- электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной от 1 до 2 мкм, наращиваемый затем гальваническим способом до нужной толщины;

- комбинированный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов.

Для того, чтобы к печатному проводнику можно было припаять объемный проводник или вывод навесного радиоэлемента, на проводнике делают контактную площадку в виде участка с увеличенной шириной. В зоне контактной площадки может находиться монтажное отверстие, в которое будет вставляться объемный проводник или вывод радиоэлемента. При наличии отверстия контактная площадка окружает его со всех сторон. Монтажное отверстие может иметь металлизированные стенки. При установке объемных проводников или выводов элементов в металлизированное монтажное отверстие обеспечивается наиболее надежный паянный электрический контакт. Использование неметаллизированных отверстий приводит к меньшей надежности пайки.

Для изготовления печатной платы наиболее широко используют комбинированный и химический методы. Химический метод обеспечивает большую производительность, но позволяет получить фольгу, расположенную только на одной стороне печатной платы. При этом не может быть получена высокая плотность монтажа. Кроме того он не может обеспечить такую же высокую надежность пайки, какую дают платы с металлизированными отверстиями, изготовленные комбинированным методом. Поэтому химический метод используется для получения односторонних печатных плат бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Комбинированный метод используется для получения одно- и двухсторонних печатных плат в аппаратуре, к которой предъявляют более жесткие требования по надежности.

Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций /11/:

- компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют помощью шаблонов, устанавливаемых на плате элементов, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна;

- разводка печатных проводников (трассировка). Цель этой операции - провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;

- оформление чертежа с соблюдением требований стандарта.

В настоящее время принципиальные схемы проектируемой радиоэлектронной аппаратуры оказываются довольно сложными, поэтому разработку конструкции печатной платы целесообразно производить с помощью современных ЭВМ и программного обеспечения. Наше устройство не является сложным радиотехническим устройством и имеет сравнительно простую принципиальную схему, поэтому разработку конструкции печатной платы произведем без применения программного обеспечения.

Для простоты разработаем отдельно печатные платы для каждой из составных частей приемника-преобразователя: для самого приемника, построенного на базе микросхемы МС3362Р, для УНЧ, построенного на базе микросхемы К174УН4А, а также для частотного модулятора. Печатные платы этих составных частей приведены соответственно на рисунках 6.1, 6.2 и 6.3. В приложении Д приведена печатная плата всего приемника-преобразователя.

Рисунок 6.1 - Печатная плата приемника

Рисунок 6.2 - Печатная плата УНЧ

Рисунок 6.3 - Печатная плата частотного модулятора

На всех печатных платах координатная сетка нанесена с шагом 2,5 мм. Все печатные платы должны быть изготовлены химическим методом. Отверстия должны быть неметаллизированными. Диаметры монтажных отверстий должны быть равными 1мм. Диаметры контактных площадок должны быть равными по 1,5 мм.



7. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЕКТА

7.1 Выбор аналога

Итак, как мы уже выяснили ранее, прототипом (аналогом) такого варианта связи с подвижными объектами, можно считать радиостанции СВ-диапазона. Примем для определенности в качестве аналога радиостанцию ALAN 78 PLUS.

Использование такого комплекса связи на основе радиотелефона позволяет находиться в выигрыше по показателям возможности/цена, при сравнении с радиостанциями.

Для определения этого выигрыша используют понятие интегрального коэффициента качества, который вычисляется на основании сравнения аналога и нашего устройства. Данное сравнение для наиболее значимых параметров представлено в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Сравнение прототипа и нашего устройства

Показатель	Единицы измерения	Аналог	Проектируемое устройство	Коэффициент улучшения
1. Количество одновременно используемых каналов связи	шт	1	2	2
2. Мощность излучения	Вт	4	8	2
3. Чувствительность	мкВ	0,5	2	0,25
4. Девиация частоты	кГц	1,8	3	1,66

В таблице 7.1 приведены коэффициенты улучшения, по которым и рассчитаем интегральный коэффициент качества по формуле:

,



где - количество сравниваемых показателей;

- коэффициент улучшения по i-му показателю.

При вычислении получим, что искомый интегральный коэффициент качества равен

.

Видно, что вычисленный интегральный коэффициент качества оказался меньше чем 1,5. С первого взгляда это говорит о том, что нет необходимости выпускать подобные средства связи, однако у такого связного комплекса есть ряд сервисных достоинств по сравнению с радиостанциями, что также в настоящее время является немаловажным фактором.

Такой комплекс связи обладает рядом преимуществ, для которых нельзя вычислить интегральный коэффициент качества. Например, при передаче сообщения с помощью радиостанции возникает необходимость нахождения человека непосредственно в близости от нее. Такая необходимость отсутствует при работе этого комплекса (можно находиться на некотором расстоянии от передающего устройства).

7.2 Расчет затрат на техническую подготовку производства

Прежде чем мы определим затраты на техническую подготовку производства приемника-преобразователя, рассчитаем сначала заработную плату разработчика, которая включается в искомые затраты.

Заработная плата разработчика состоит из трех составляющих: основная зарплата, дополнительная и отчисления на социальные нужды. Расчет основной заработной платы разработчика можно представить в виде таблицы 7.2.

Из таблицы видно, что основная заработная плата оценивается величиной в 1573 руб. 32 коп. Исходя из того, что дополнительная заработная плата разработчика определяется как 8…20 % от основной (для определенности примем 15 %), а отчисления на социальные нужды составляют 38,5 % от суммы основной и дополнительной, то получим, что дополнительная заработная плата равна 236 руб., а отчисления на социальные нужды составят 696 руб. 60 коп.

Таблица 7.2

Расчет основной заработной платы разработчика

Этапы разработки	Исполнитель	Трудоемкость, час	Часовая ставка исполнителя, руб/час	Заработная плата, руб
1. Составление ТЗ	Руководитель	2	4,34	8,68
2. Анализ ТЗ	Студент	40	3,08	123,2
3. Разработка структурной схемы приемо-передающей части	Студент	20	3,08	61,6
4. Расчет функциональной схемы приемопередающей части	Студент	80	3,08	246,4
5. Расчет принципиальной схемы приемо-передающей части	Студент	120	3,08	369,6
6. Экспериментальное исследование работы приемника-преобразователя	Студент	160	3,08	492,8
7. Разработка конструкции печатной платы приемника-преобразователя	Студент	8	3,08	24,64
8. Экономический анализ проекта	Студент	50	3,08	154
9. Безопасность и экологичность проекта	Студент	30	3,08	92,4
Итого	-	510	-	1573,32

В затраты на техническую подготовку производства приемника-преобразователя входят также материальные затраты, которые приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3

Расчет материальных затрат

Материал	Расход на изделие	Цена, Руб.	Затраты, Руб
Стеклотекстолит	1 лист	12	12
Резисторы постоянные	16 шт.	0,5	8
Резисторы переменные	3 шт.	2	6
Конденсаторы	21 шт.	0,5	10,5
Конденсаторы электролитические	4 шт.	1	4
Транзистор	1 шт.	5	5
Микросхема МС 3362Р	1 шт.	30	30
Микросхема К174УН4А	1 шт.	5	5
Кварцевые резонаторы	2 шт.	10	20
Кварцевые фильтры	2 шт.	5	10
Варикап	1 шт.	3	3
Итого	-	-	113,5

Из этой таблицы видно, что материальные затраты на изготовление макета приемника-преобразователя составили 113,5 руб. Известно, что транспортно-заготовительные расходы определяются как 3…5% от суммарных материальных затрат, а эта сумма в нашем случае при 5% составляет 5 руб. 68 коп.

Окончательным этапом при расчете затрат на техническую подготовку является подсчет накладных расходов, которые определяются как 200…250 % от основной заработной платы. В нашем случае это составляет (при 250 %) 3933 руб. Тогда суммируя результаты этих расчетов получим, что искомая затрата на техническую подготовку составляет 6558 руб.

7.3 Расчет себестоимости и цены изделия

7.3.1 Себестоимость

При расчете себестоимости и цены изделия пользуются следующими статьями калькуляции:

а) Сырье, основные и вспомогательные материалы;

б) Покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия;

в) Основная заработная плата рабочих;

г) Дополнительная заработная плата рабочих;

д) Отчисления на социальные нужды рабочих;

е) Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

ж) Цеховые расходы;

з) Общезаводские расходы;

и) Внепроизводственные расходы.

Производственная себестоимость изделия получается при суммировании первых восьми составляющих. При суммировании всех перечисленных составляющих мы получим полную себестоимость изделия.

Произведем соответствующие вычисления для определения себестоимости и цены спроектированного устройства.

Первые две статьи уже были рассчитаны в подразделе 7.2 и они составляют 113,5 руб.

Для расчета третьей статьи необходимо определить основные операции при изготовлении устройства на предприятии, соответствующую трудоемкость каждой операции, а также часовую ставку исполнителя, после чего, произведя суммирование, мы сможем определить основную заработную плату рабочих. Расчет этой статьи представлен таблицей 7.4.

Из таблицы 7.4 видно, что получаемая основная заработная плата рабочих составляет 37 руб. 95 коп. Тогда можно рассчитать все остальные статьи.

Дополнительная заработная плата рабочих определяется как 8…20% от основной заработной платы и при 15% она составляет 5 руб. 70 коп.

Отчисления на социальные нужды рабочих находятся как 38,5% от суммы по третьей и четвертой статьям (статьи «в» и «г»). При вычислении получим, что эта величина составляет 16 руб. 80 коп.

Таблица 7.4

Расчет основной заработной платы рабочих

Наименование основных операций	Трудоемкость, час	Часовая ставка, руб/час	Зарплата, руб
1. Изготовление печатной платы	5	1,65	8,25
2. Лужение платы	2	1,65	3,3
3. Подготовка катушек индуктивностей	3	1,65	4,95
4. Сборка устройства	3	1,65	4,95
5. Настройка устройства	10	1,65	16,5
Итого	23	-	37,95

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования определяются на основе статьи «в» (160…180% от статьи «в») и составляют в нашем случае (при 180%) 68руб. 30 коп.

Цеховые расходы составляют 140…160% от той же статьи «в» и равны 60 руб.

При расчете общезаводских расходов пользуются тем фактом, что они составляют порядка 100…140% от статьи «в». Для нашего устройства эти расходы оцениваются величиной в 53 руб.

Тогда производственная себестоимость устройства равна 355 руб. 25 коп.

Внепроизводственные расходы - это 1,5…2% от производственной себестоимости. В нашем случае эта величина составляет 7 руб.

С учетом всех вычислений можно получить полную себестоимость приемника-преобразователя. Она равна 362 руб. 25 коп.

7.3.2 Цена изделия

Различают оптовую и розничную цену изделия.

Оптовая цена вычисляется как сумма полной себестоимости, прибыли и НДС (20% от полной себестоимости и прибыли). Полная себестоимость изделия уже была рассчитана. Прибыль составляет примерно 30% от полной себестоимости и исчисляется суммой в 109 руб. Тогда НДС равен 94 руб. 20 коп., следовательно оптовая цена составит 565 руб. 45 коп.

Розничная цена изделия - это сумма трех составляющих: оптовой цены, 25% от оптовой и 5% налога с продаж. Тогда это составит примерно 742 руб.

Отметим тот факт, что базовый блок состоит из двух независимых частей: приемной и передающей. В настоящем экономическом анализе проекта была определена стоимость только одной - приемной. Однако стоимость другой - передающей - оказывается значительно ниже, и для определенности ее можно принять равной 400 руб. тогда окажется, что базовый блок обойдется потребителю в 1142 руб.

Конечно же, для точной оценки цены передающей части необходимо было бы вновь произвести все расчеты, но целью данного раздела проекта является доказательство того, что такие устройства целесообразно выпускать и реализовывать на рынке сбыта. Более того, предполагаемый экономический эффект нашего устройства перед аналогом будет заметен и без точных расчетов стоимости передающей части.

Итак, для простоты расчетов примем стоимость базового блока равной 1200 руб.

7.4 Расчет экономического эффекта

Определим экономический эффект. Цена составной части изделия уже была определена и составляет в розничной торговле примерно 1200 руб. Следует напомнить, что связной комплекс построен на основе бытового радиотелефона, стоимость которого обычно не превышает 2500 руб. Предположим, что потребитель покупает радиотелефон за 2500 руб. и приобретает еще два блока к нему (базовый и передвижной). Стоимость каждого из которых равна 1200 руб. Тогда это получается сумма в 4900 руб. Это получается стоимость связного комплекса, в который входит сам радиотелефон и два блока к нему. Антенные устройства дополнительных блоков в стоимость не входят.

Теперь рассмотрим стоимость трансиверов СВ-диапазона. Различают базовые трансиверы, которые отличаются большим количеством дополнительных функций, и мобильные - простейшие приемо-передатчики. В простейшем случае для передачи и приема информации по каналу связи «БАЗА - ПЕРЕДВИЖНОЙ ОБЪЕКТ» можно использовать два мобильных трансивера. Стоимость каждого простейшего мобильного трансивера оценивается величиной в 2500-3000 руб. Таким образом, общая стоимость составит примерно 5000-6000 руб. Также при покупке СВ-трансиверов их необходимо зарегистрировать, что обходится примерно в 300 руб. за каждый приемо-передатчик. И общая стоимость достигает 5600-6600 руб. Это оказывается более чем на 700 руб. дороже, чем использование вышеописанного связного комплекса. Тогда становится очевидным, что использование радиостанций СВ-диапазона оказывается по экономическим параметрам дороже, чем приобретение бытового радиотелефона и двух блоков дополнительно к нему.

Однако следует сказать о том, что такое средство связи может просто не заинтересовать буквально каждого потребителя, что приведет к проблемам у предприятия-изготовителя на рынке сбыта при изготовлении крупными партиями. Поэтому ставить на конвейер такой связной комплекс нецелесообразно. Куда более правильным будет выпуск такого связного комплекса мелкосерийными партиями по мере сбыта товара.



8. Безопасность и экологичность проекта при макетировании

8.1 Системный анализ безопасности и надежности устройства при эксплуатации

Данное устройство входит в состав целого комплекса, предназначенного для увеличения радиуса действия обычного радиотелефона. Этот комплекс относится к системам связи, что в настоящее время является довольно актуальной темой.

Человеческая жизнь постоянно сопровождается процессом получения и передачи какой-либо информации (процессом обмена информации), иногда, имеющей решающее в жизни любого человека значение. Без возможности быстрого и качественного обмена информацией у человека могут возникать довольно серьезные проблемы, поэтому очень важно в любых системах связи добиться максимальной надежности связного устройства (или устройств) при эксплуатации.

В последнее время самое широкое применение находят новые методы анализа безопасности, риска и надежности систем /12/.

Многообразие причин аварийности систем и травматизма в производственных условиях позволяет утверждать, что самыми подходящими для оценки опасностей являются модели, представляющие собой процесс появления и развития цепи соответствующих предпосылок в виде диаграмм. Под этими диаграммами влияния причинно-следственных связей понимают некоторое формализованное представление моделируемых категорий (процессов, объектов, целей и свойств) с помощью графических символов.

С помощью такого метода достигается высокая информативность представления и описания исследуемых факторов, хорошая наглядность и однозначность понимания модели исследователем и потребителем и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение получила диаграмма ветвящейся структуры, не имеющая циклов и называемая «дерево причин (отказов, опасностей, событий)» /12/.

Любая опасность реализуется, принося какой-либо ущерб, по одной определенной или нескольким причинам. Без причин нет реальных опасностей. Следовательно, предотвращение опасностей или защита от них базируется на знании причин. Между реализованными опасностями и причинами существует причинно-следственная связь: опасность есть следствие некоторой причины (причин), которая, в свою очередь, является следствием другой причины и т.д. Таким образом, причины и опасности образуют иерархические, цепные структуры или системы. Графическое изображение таких зависимостей чем-то напоминает ветвящееся дерево. В строящихся деревьях, как правило, имеются ветви причин и ветви опасностей, что полностью отражает диалектический характер причинно-следственных связей. Разделение этих ветвей нецелесообразно, а иногда и невозможно.

Построение дерева отказов начинается с процессов синтеза и анализа. Каждый из этих процессов разбивается на ряд соответствующих этапов.

Нам необходимо составить дерево отказов для нашего устройства - базового блока. Построение дерева отказов начнем с краткого описания процессов синтеза и анализа.

8.1.1 Синтез

1. Определяем наиболее общий уровень, на котором должны быть рассмотрены все события, являющиеся нежелательными для нормальной работы рассматриваемой системы.

2. Разделяем событие на несовместные группы, причем группы формируются по некоторым признакам, например, по одинаковым причинам возникновения.

3. Используя общие признаки, выделяем одно событие, к которому приводят все события каждой группы. Это событие является головным и будет рассматриваться с помощью отдельного «дерева причин».

В соответствии с этапом номер 1 синтеза, для нормальной работы рассматриваемой системы (комплекса связи) нежелательными событиями могут являться следующие:

а) полное отсутствие излучаемого антенной сигнала;

б) излучение антенной более слабого сигнала, чем требуется;

в) отсутствие сигнала на выходе всего приемного устройства.

Второй этап синтеза состоит в разделении перечисленных событий на несовместные группы. Первые два события довольно тесно связаны между собой и должны рассматриваться совместно. Последнее же событие является отличным от ранее рассмотренных и требует отдельного анализа.

Тогда для двух групп можно сформулировать соответствующие головные события, представленные таблицей 8.1. Эти головные события влекут за собой нарушение работоспособности связного комплекса.

Таблица 8.1

Головные события для двух групп

События	Головное событие
а, б	Неисправность передающей части базового блока
в	Неисправность приемной части базового блока

8.1.2 Анализ

Анализ производится в следующей последовательности /12/.

1. Выбираем головное событие, которое должно быть предотвращено.

2. Определяем все первичные и вторичные события, которые могут вызвать головное событие.

3. Определяем отношения между вызывающими и головными событиями в терминах логических операций «И» и «ИЛИ».

4. Определяем величины, необходимые для дальнейшего анализа каждого из событий, выделенных на этапе два или три. Для каждого вызывающего события, которое уточняется далее, повторяем этапы два и три, причем термин «головное событие» теперь будет относиться к данному событию, которое продолжаем анализировать.

5. Продолжаем этапы два, три и четыре пока либо все события не выразятся через основные события, либо перестаем дробить анализ дальше в силу незначительности событий, отсутствия данных и т.п.

6. Представляем события в виде диаграммы, используя соответствующую символику.

Рассмотрим причины нарушения работоспособности связного комплекса. Это может произойти в результате повреждения как передающей части базового блока, так и приемной части того же блока (и уж тем более при повреждении обоих блоков).

В общем случае, повреждение передающей части вызовет либо полное исчезновение излучаемого сигнала, либо частичное (излучение сигнала с меньшей мощностью). Последний вариант может произойти по многочисленным причинам, которые рассматривать просто не имеет смысла, а вот при полном исчезновении излучаемого сигнала ситуация проста. Причиной этого события может быть и отсутствие напряжения питания передающей части (или одного из его каскадов), и отсутствие сигнала на входе передатчика, и вероятность нарушения контакта в схеме передающей части. Однако может оказаться, что причиной отсутствия излучения послужило нарушение соединения с передающей антенной. Нарушение контакта со временем могло произойти в результате плохой сборки устройства (некачественная пайки схемы), а также в результате повреждения печатной платы. Причиной отсутствия сигнала на входе передающей части может служить в простейшем случае нарушение соединительного разъема. Однако это не единственная причина, т.к. может существовать еще целый ряд причин, приведших к этой ситуации.

К нарушению работоспособности связного комплекса могут привести и неисправности приемной части. Это может быть как отсутствие сигнала на выходе приемного устройства или модулятора, так и отсутствие напряжения питания устройства. Ситуация с модулятором проста: причиной отсутствия сигнала с выхода модулятора может служить некачественная сборка устройства (плохая пайка) или неисправность печатной платы (нарушение контакта в проводящих слоях платы). Причиной отсутствия сигнала с выхода приемного устройства может быть как неисправность самого приемного устройства, так и отсутствие сигнала на входе самого приемного устройства. Сигнала на входе приемного устройства может не оказаться по причине нарушения соединения приемной антенны или нарушения контакта во входной части устройства. Случай неисправности приемного устройства вероятен по причине выхода из строя каких-либо элементов или прочих причин.