Конструкция генератора с фазовой автоподстройкой частоты для диапазонов ОВЧ-УВЧ

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

Ключевые слова: генератор; система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); генератор, управляемый напряжением (ГУН); СВЧ-диапазон; экранирование; влагозащита; упаковка; конструкция; технология; качество; надежность.

В дипломном проекте разработана конструкция генератора с ФАПЧ для диапазонов ОВЧ-УВЧ. Прибор заключен в литой герметизированный корпус, в котором содержится гальваническая батарея. Проведен патентный поиск, проведены расчеты: механической прочности платы с элементами при ударе, эффективности экранирования, упаковочной тары, влагозащиты. Рассчитана надежность, проведена оценка технологичности и качества, приняты меры по обеспечению безопасности жизнедеятельности; сделаны технико-экономические расчеты и найдена себестоимость.

ВВЕДЕНИЕ

Дипломный проект посвящен разработке конструкции генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) для диапазонов ОВЧ-УВЧ (100…2500МГц).

Устройство построено на основе генератора образцовой частоты и управляемого напряжением генератора, частота которого посредством делителя частоты автоматически подстраивается фазовым детектором. Его можно рекомендовать для многих применений, когда есть необходимость в стабильном генераторе или гетеродине для популярных радиолюбительских диапазонов. Стабильность частоты фактически определяется стабильностью кварцевого резонатора.

При изготовлении и настройке радиоаппаратуры диапазона ОВЧ-УВЧ (30...3000 МГц) необходимым узлом является генератор. Он может выполнять функции гетеродина для трансвертера или конвертера, а также использоваться как контрольный генератор или маячок для проверки и настройки радиоприемника или антенно-фидерного тракта. При построении таких приборов раньше, как правило, использовались задающие генераторы с кварцевой стабилизацией, работающие на относительно низкой частоте (десятки мегагерц), и несколько каскадов умножителей частоты. Такая конструкция сложна в изготовлении и настройке.

Сейчас для этих целей все чаще применяют генераторы с системой ФАПЧ. Для реализации такой конструкции применяют специализированные микросхемы синтезаторов частоты, которые управляются от микроконтроллеров (РIС-контроллеров). Стабильность частоты в этом случае определяется стабильностью частоты опорного генератора. Такое построение позволяет получить практически любое значение частоты, но реализация такого генератора доступна не всегда, так как необходимо программирование РIС-контроллеров, в частности, из-за относительно высокой цены программаторов.

Но генератор с системой ФАПЧ можно сделать и по более простой схеме, с использованием более дешевой и простой элементной базы, упрощающей процесс изготовления и настройки.

Исходя из этого, можно сказать, что тема проекта не только актуальна технически, но и целесообразна с экономической точки зрения, т.к. себестоимость прибора сравнительно невелика и может быть снижена за счет различных комплектов поставки.

1. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

При разработке конструкции обязательно должна учитываться патентность - свойство технических разработок находиться под охраной международного авторского права, если они обладают новизной, полезностью и юридически соответственно оформлены. Патентность имеет две стороны - патентоспособность и патентную чистоту.

Процесс конструирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) тесно связан с изобретательством и изучением патентной информации. В настоящее время нельзя вести разработку и модернизацию РЭА без предварительного изучения и отбора патентных материалов. Тщательно проведенное патентно-информационное исследование предотвращает дублирование творческой работы и напрасную трату усилий на поиск решений, разработанных ранее. Кроме того, патентно-информационное исследование имеет целью охрану государственных и авторских интересов в области научно-технического творчества, извлечение преимуществ, вытекающих из недостатков патентной защиты. Может оказаться, что в результате исследования будет показана нецелесообразность проведения разработки, поскольку уже имеется требуемое решение, зафиксированное в иностранном или отечественном патенте.

Изобретением признается отличающееся существенной новизной решение технической задачи, дающее положительный эффект. Существенная новизна означает неизвестность во всех странах. Положительный эффект может означать не только сегодняшнюю, но и перспективную полезность.

Новизну предложения опровергают следующие источники: авторские свидетельства и поданные ранее заявки, печатные публикации (включая отчеты НИР и ОКР), применение (в любой стране), защита диссертации, доклад, демонстрация на выставке. Но если разглашены только результаты решения, но не само решение технической задачи, если образец изготовлен и испытан, но не внедрен, это не опровергает новизны.

Патентом и авторским свидетельством называют документ, который служит для оформления права на изобретение.

В отличие от авторского свидетельства, при получении патента автор должен вносить значительную разовую и ежегодную пошлины Выдача патента означает, что на территории этой страны в течение срока действия патента никто без разрешения владельца патента не имеет права использовать запатентованное изобретение.

Патентные права переступаются частично, на определенных условиях. Такая переуступка называется лицензией (разрешением) на использования изобретения.

Авторское свидетельство - это документ, которым удостоверяется факт признания указанного лица в качестве автора изобретения.

Действие патента ограничено по сроку. Закон каждой страны предусматривает предельный срок (для Российской Федерации этот срок составляет 20 лет), по истечении которого патент теряет силу.

Ограничения прав патентовладельца по территории и по срокам являются важными условиями при установлении патентной чистоты. Патентная чистота есть юридическое свойство объекта, заключающееся в том, что он не подпадает под патенты, действующие в определенной стране. Наряду с этим существует понятие патентоспособность - возможность технического решения быть запатентованным в качестве изобретения в определенных странах, т.е. наличие существенной новизны (мировой или локальной) и полезности.

Объект может быть патенточистым, но не патентоспособным, когда его особенности давно описаны в технической литературе, открыто применялись или в свое время были защищены патентами, уже потерявшими действие. Объект может быть патентоспособным, но не патенточистым, если часть его особенностей попадает под действие чьих-то патентов, а другие особенности обладают существенной новизной.

Информацию о патентах и авторских изобретениях на этапе проведения патентно-информационного исследования разработчики получают из патентной литературы. Существует ошибочное мнение, что в патентной литературе умышленно не излагаются важные особенности, необходимые для внедрения изобретения, или даже вносятся искажения, чтобы ввести в заблуждение конкурентов. В действительности патентные законы большинства стран содержат категорические требования, чтобы описание изобретения позволяло среднему специалисту в данной отрасли внедрить изобретение, не прибегая к дальнейшему творчеству. Патент, в описании которого допущены ошибки и искажения или сущность изобретения не полностью раскрыта, может быть аннулирован. Благодаря таким требованиям патентная литература отличается лаконичностью и ясностью языка. Патентная информация является единственным источником, в котором содержатся сведения и о тех новшествах, которые еще не внедрены.

Основными целями патентных исследований на стадии дипломного проекта являются:

· получение информации об уровне развития данной отрасли;

· ознакомление с выявленными в процессе патентного поиска рефератами технических решений, защищенными охранными документами (патентами, свидетельствами), и в случае необходимости, полными описаниями к патентам, свидетельствам;

· оценка актуальности разработок, проводимых при дипломном проектировании, по сравнению с выявленными в процессе патентного поиска наиболее совершенным отечественным разработкам;

· определение путей решения собственной поставленной задачи;

Так как целью данного дипломного проекта, исходя из технического задания (ТЗ), не является схемотехническая разработка генератора, было предложено производить патентно-информационное исследование в области технологий, которые могли быть использованы при конструировании и изготовлении данного устройства.

Были проведены патентные исследования по РФ. Поиск проводился с 1994 года по 2004 год, что явилось достаточным для нахождения новейших разработок в области техники и технологии.

Поиск производился по базе рефератов и патентов на изобретения Роспатента в сети Интернет (http://www.fips.ru/).

В результате анализа были рассмотрены патенты на следующие темы: способ изготовления двусторонних печатных плат и установки ЭРЭ, способы металлизации отверстий, а технология конструирования элементов корпуса, влагозащита.

Результаты проделанной работы представлены в Приложении 1.

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ПРОЕКТА

Базовой статьей при разработке данного проекта была принята [8].

В качестве технической литературы были выбраны журналы “Радио” и «РадиоМир» за 2000-2004гг. При просмотре данной литературы не было найдено описаний разработок аналогичных устройств.

Параметрический поиск в сети Интернет принес необходимый результат: была найдена перспективная разработка фирмы «ЭЛПА» генератор ГК 122-УН-ПВ.

В настоящий момент данная фирма заканчивает разработку генераторов с ФАПЧ нового поколения на частоты 150…1500 МГц, но эти устройства простроены на другом схемотехническом уровне, с использованием узлов функциональной электроники, таких как фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

В генераторах ГК 122-УН-ПВ используются резонаторы и фильтры на основе ПАВ, имеется основной выход и вход напряжения управления для фазовой автоподстройки частоты при помощи внешнего опорного генератора. Диапазон перестройки частоты напряжением управления обеспечивает установки номинальной частоты генератора в интервале рабочих температур и воздействия дестабилизирующих факторов (старение резонаторов, транзисторов и т.д.).

Генераторы имеют основной выход, мощность которого регулируется напряжением Е_рег, и выход для ФАПЧ, обладает низким уровнем фазовых шумов. Данные генераторы используется в радиолокации, радионавигации и системах связи.

Основное преимущество применение высокочастотных генераторов в системах с сеткой частот, работающих от одного опорного генератора, позволяет увеличить быстродействие системы на два порядка. Низкий уровень фазовых шумов позволяет улучшить точностные характеристики не менее чем на 20 дБ. Кратковременная, долговременная и температурная нестабильности определяются опорным генератором.

Необходимо отметить, что данное устройство только находится в стадии разработки. Функционально, оно, несомненно, богаче разрабатываемого в дипломном проекте генератора, но питание, в отличие от последнего - внешнее, и ФАПЧ данного генератора осуществляется извне данного устройства. Исходя из описанных функций этого устройства его нельзя назвать прямым аналогом, хотя его новизна подтверждает актуальность данной дипломной разработки.

Дипломный проект посвящен разработке генератора с ФАПЧ для диапазона 1290 МГц, при разработке была использована простая, а значит не дорогая схемотехника, были обеспечены электромагнитное экранирование, влагозащита и наименьшие массогабаритные параметры.

3. АНАЛИЗ ТЗ И РАЗРАБОТКА ТТТ К КОНСТРУКЦИИ

С учетом особенностей работы электрической принципиальной схемы прибора генератора с ФАПЧ и исходных данных технического задания (ТЗ), разделим тактико-технические требования (ТТТ) к конструкции на общие и специальные.

3.1 Общие требования

Разрабатываемое устройство относится к профессиональной аппаратуре, IV группа, носимая РЭА. Поэтому механические, климатические воздействия, условия эксплуатации определяются по ГОСТ 16962.1-89. Предполагается, что изделие может использовать радиолюбитель.

Эксплуатационные требования

Данная группа требований определяется условиями экспуатации и зависит от механических, климатических и прочих воздействующих факторов, величина которых определяется конкретными величинами, указанными в ГОСТах для носителей, в которые предполагается установка разрабатываемой РЭС.

Разрабатываемое устройство по условиям эксплуатации относится к группе радиотехнических средств, специального назначения, носимых на теле человека, его одежде, в том числе и на открытом воздухе. Таким образом, при разработке устройства необходимо учесть воздествие на него климатических и механических воздействий (температуры, влажности, давления, пыли, ударов, падений, ветра и др.) для наземной носимой аппаратуры, работающей на открытом воздухе вне помещения.

Требования к разрабатываемой аппаратуре относительно климатических воздействий приведены в таблице 3.1.1

Таблица 3.1.1 - Требования к разрабатываемой аппаратуре относительно климатических воздействий

Требования к аппаратуре	Воздействующие факторы	Значения для данной группы аппаратуры
	Характер	Ед. изм.
Влагоустойчивость	Повышенная относительная влажность до…	%	98
	Температура до…	єC	40
Холодоустойчивость	Пониженная рабочая температура до…	єC	-50
Высотность	Пониженное атмосферное давление до…	мм. рт.ст.	460
	Температура до…	єC	20±10
Теплоустойчивость	Повышенная рабочая температура до…	єC	+50
	Повышенная предельная аппаратура до…	єC	+65
Водозащищенность	Слой воды толщиной до…	мм	500
Брызгозащищенность	Водяные брызги интенсивностью до…	мм/мин	5
Пылезащищенность	Воздушный поток с пылью скоростью до…	м/с	10-15

Данный вид РЭА рассчитан на индивидуальную длительную переноску ее людьми и транспортирование ее всеми видами транспорта. Требования к разрабатываемой аппаратуре относительно механических воздействий приведены в таблице 3.1.2.

Таблица 3.1.2 - Требования к разрабатываемой аппаратуре относительно механических воздействий

Требования к аппаратуре	Воздействующие факторы	Значения для данной группы аппаратуры
	Характер	Ед. изм.
Виброустойчивость и вибропрочность	Вибрация с частотой, создающей ускорение, соответственно	Гц; g	2-80; 6-3
Прочность при падении	Свободное падение на грунт с высоты	мм	500
Ударная прочность	Ускорение, создаваемое при ударе	g	100-200
Ветроустойчивость	Ветер со скоростью	м/с	30
Транспортирование	Транспортирование на автомашине со скоростью	км/час	20-60

Кроме того, аппаратура данной группы характеризуется:

· продолжительностью эксплуатации и длительным временем автономной работы;

· высокой ремонтопригодностью;

· повышенным эстетическим значением внешнего вида, удобств и безопасностью при эксплуатации;

· малые габариты и масса.

Удобство и безопасность эксплуатации и ремонта:

При ремонте необходимо ограничить возможность ошибок персонала. Необходимо обеспечить однозначность варианта сборки, которая исключит неправильное соединение частей изделия.

Большое значение имеет полнота ремонтной и эксплутационной документации. Ремонт следует производить только в специально оборудованных мастерских, квалифицированным персоналом. Прибор должен иметь инструкцию по настройке и инструкцию по эксплуатации.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

К этой группе относятся требования по максимальной стандартизации и унификации используемых ЭРЭ, материалов, установочных изделий и сборочных единиц.

Производство данных приборов можно считать мелкосерийным (10000 шт./год), необходимо обеспечить его технологичность, поэтому корпус рационально изготавливать литьем под давлением. При конструировании корпуса необходимо учитывать ряд особенностей:

1) корпус должен быть простой;

2) толщина стенок должна быть примерно одинаковой;

3) углы следует скруглять;

4) должны предусматриваться технологические уклоны и конусность;

5) допуски должны назначаться с учетом усадки.

Необходимо также обеспечить жесткость и прочность конструкции. Нужно стремиться к уменьшению массы и габаритов конструкции.

Одним из важных требований является обеспечение нормального теплового режима.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Необходимо стремиться максимально снизить производственные затраты с целью снижения стоимости. Для этого следует стремиться использовать современную элементную базу, технологические процессы и автоматизацию производства.

Экономические требования направлены на снижение стоимости изделия при условии обеспечения заданной в ТЗ надёжности с учетом заданной программы выпуска.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Так как проектируемое устройство относится к носимой аппаратуре специального назначения, предназначенное для работы на открытом воздухе, то необходимо обеспечить механическую жесткость и прочность конструкции.

Прибор требует настройки и управления человеком, поэтому необходимо учесть эргономические требования и требования технической эстетики.

Необходимо обеспечить максимальную автономность устройства и минимизировать массогабаритные показатели.

4. НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ЕГО ДЕЙСТВИЯ

Генератор с системой ФАПЧ, можно использовать как радиомаячок или измерительный генератор в диапазоне частот от 100 до 2500 МГц. При упрощении схемы такой генератор можно использовать как гетеродин. Ведь нестабильность его частоты в основном определяется соответствующим параметром кварцевого резонатора ZQ1.

Система фазовой автоподстройки частоты, как следует из её названия, является системой автоматического регулирования (следящей системой), частота настройки которой определяется частотой управляющего сигнала, а сигналом рассогласования является разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В связи с тем, что настройка осуществляется по разности фаз, система является астатической по отношению к частоте: в установившемся режиме частота настройки точно равна частоте управляющего сигнала. При определённых условиях система ФАПЧ может быть астатической и по фазе [9].

Наряду с основным свойством автоподстройки, система ФАПЧ обладает свойством фильтрации и ведёт себя, независимо от функционального назначения, как следящий фильтр. Система ФАПЧ является системой с многофункциональными возможностями и используется для частотной модуляции и демодуляции, частотной фильтрации (в том числе, фильтрации модулирующей функции частоты), умножения и преобразования частоты, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и др.

В обобщённом виде любая система автоматического регулирования, независимо от её назначения, содержит измерительное устройство с вычитателем на входе и объект регулирования, выход которого подключен к вычитателю. В вычитателе сравниваются управляющая величина и управляемая (с выхода объекта регулирования), являющаяся величиной обратной связи.

Несмотря на то, что управляющей величиной в системе ФАПЧ является частота, в фазовом детекторе (ФД) сравниваются не частоты, а фазы напряжений на его входе.

В данном случае принцип работы разрабатываемого устройства можно представить в следующем виде (АН468.757.001Э1).

На транзисторе VТ2 собран генератор, управляемый напряжением (ГУН), на транзисторе VТ1 - выходной каскад с регулируемой выходной мощностью. На микросхеме DD2 собран делитель частоты. Остальные узлы собраны на одной микросхеме DD1, которая содержит четыре логических элемента "исключающее ИЛИ" с инверсией. Генератор образцовой частоты с кварцевой стабилизацией собран на логическом элементе DD1.1, на элементе DD1.2 собран усилитель выходного сигнала делителя частоты, а фазовый детектор (ФД) собран на элементе DD1.3. Питается устройство от аккумуляторной батарей 7.2 В или сетевого блока питания с напряжением 7...15 В.

Питающее напряжение (5 В) всех узлов устройства стабилизировано интегральным стабилизатором напряжения на DА1.

Работает устройство следующим образом. Сигнал ГУН поступает на делитель частоты, а с его выхода после усиления - на ФД. Микросхема DD2 делит частоту ГУН на N, поэтому на один из входов ФД поступает сигнал с частотой f₁ = f_гун/N. На второй вход поступает сигнал генератора образцовой частоты f_ог. Выходное напряжение ФД через пропорционально интегрирующий фильтр (ПИФ) R5R7С8, конденсатор С11 и резистор R10 поступает на варикап ГУН VD1 и подстраивает его. Система ФАПЧ работает таким образом, что частота f₁ подстраивается под f_ог и они становятся равными. Таким образом, частота ГУН будет равна f_гун = N х f_ог. В данной конструкции использован делитель частоты с N = 129; f_ог = 10.0 МГц, а частота ГУН будет равна f _гун = 129 х 10 = 1290 МГц.

Таким образом, выходную частоту генератора можно изменять за счет изменения коэффициента деления N или частоты образцового генератора (кварцевого резонатора). Регулировка уровня выходного сигнала осуществляется в пределах от -15 до +5 дБ/мВт за счет изменения тока транзистора VT1 с помощью переменного резистора R16.

5. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

Поверочный расчет схемы электрической принципиальной АН468.757.001Э3 заключается в определении параметров пропорционально-интегрирующего фильтра (ПИФ) представленного на рис. 5.1.

Рис. 5.1 - Пропорционально интегрирующий фильтр

Применение фильтра в цепи ФАПЧ изменяет динамические свойства системы. Полином системы (многочлен в знаменателе передаточных функций) определяет порядок, вид аппроксимации и частотный диапазон фильтрации, а член или многочлен в числителе определяет вид фильтрации (нижних, верхних частот или полосовой фильтрации) и коэффициент передачи.

 В разрабатываемом генераторе с ФАПЧ используется один ПИФ-фильтр 1-го порядка, показанный на рис. 5.1 (необходимо отметить, что общепринятое название “фильтр” в данном случае является условным; правильнее было бы считать его цепью частотной коррекции).

Пропорционально-интегрирующий фильтр может быть охарактеризован передаточной функцией (5.1):

K_Ф(p) = U_вых/U_вх = (1 + _Ф1)/(1 + _Ф), (5.1)

где R_оC₈ - “физическая” постоянная времени цепи ПИФ;

_Ф1 = 2R_оC₈ - условная постоянная времени;

R_о= R₇ + R₅;

Если учесть, что K_Ф = 1, т. е. U_вых = U_вх, в цепи генератора, то получим выражение (5.2) для определение номиналов элементов:

1 = 1+2 (R₇+R₅)C₈/1+(R₇+R₅)C₈.(5.2)

R₇ = 200 Ом;

R₅ = 10 кОм;

C₈ = 30 пФ;

;

1 = 1.

Таким образом, видно, что элементы принципиальной схемы выбраны правильно и расчетное значение передаточной функции соответствует теоретическому, обусловленному функциональным назначением ПИФ в схеме устройства.

6. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Генератор с ФАПЧ реализован в виде одного функционального узла на печатном монтаже с использованием как поверхностно-монтируемых элементов, так и элементов со штыревыми выводами. Выбор активных элементов производится на основании типов указанных в электрической принципиальной схеме.

Пассивные элементы выбираются с учетом номиналов, указанных в схеме, условий эксплуатации, стандартизации, нормализации, экономической целесообразности, минимизации габаритов, предпочтение отдается элементам поверхностного монтажа (SMD).

Выбор элементов производился по современным отечественным справочникам и каталогам: Платан, Симметрон, Вест-Эл, Компэл и др.

Необходимо учесть, что принципиальная схема была доработана мной с целью обеспечения максимальной автономности и коммутации разрабатываемого устройства.

Так, в качестве ВЧ-гнезда XW1, я применил устанавливаемое на печатную плату штыревое гнездо фирмы АМР 966475 50 Ом.

Трехпозиционный движковый переключатель Switronic-SK-23D06, установленный на плате, одновременно с включением устройства, управляет режимами его питания - через штыревую клемму 301-02-113 коммутируется аккумуляторная батарея - а через штыревое гнездо 3,5 мм подключается внешний блок питания.

В устройстве можно применить детали: транзисторы - КТ3132-А, транзисторы с нормированным уровнем шума на частоте 2-6 ГГц для применения в СВЧ малошумящих усилителях в диапазоне частот 1-7.2 ГГц.

Микросхема делителя частоты Motorolla MC120LVAD поверхностно-монтируемая, о чем свидетельствует суффикс D, ее можно применить и другого производителя, при этом она должна работать на требуемой частоте и иметь необходимый коэффициент деления.

Микросхема DD1 - Motorolla MC74H86D, поверхностно-монтируемая.

Микросхема DА1 - 78L05, КР1158ЕН5А или аналогичная с корпусом ТО-92, напряжение стабилизации 5 В.

Варикап КВ132, штыревой монтаж.

Переменный резистор R16 - Murata-SMD-PVG3A-10 кОм, мощность рассеяния 0,25Вт

Постоянные резисторы R1-R15- той же фирмы, серия RK73, мощность 0,125 Вт, в соответствии с принципиальной схемой, типоразмер 0805.

Подстроечный конденсатор С3 - Murata-SMD-TZVY2R200-4,5...20 пФ, напряжение питания 6,3 В.

Полярный конденсатор С10 - той же фирмы, 47 мкФ, 6 В, типоразмер В.

Индуктивность L1 - Murata-LQP18M, экранирована, работает в заданном диапазоне частот.

Остальные конденсаторы - той же фирмы, серия GRM, 6,3 В, в соответствии с принципиальной схемой, типоразмер 0805.

Батарея GB1, аккумуляторная, GP Batteries, 1700мАч, 7,2 В.

Все элементы имеют рабочую температуру в пределах заданной ТЗ.

Все элементы размещены на печатной плате из двусторонне фольги-рованного стеклотекстолита СФ-2-35-1,5.

Сторона под деталями оставлена металлизированной и используется в качестве заземляющего провода. Она соединена с заземляющим проводом на другой стороне. Лицевая сторона платы в местах, свободных от ЭРЭ и проводников так же металлизирована заземляющим проводом. Таким образом можно избавится от ряда паразитных наводок на ВЧ-тракт.

7. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКОГО РЕШЕНИЯ

Генератор в большой степени отвечает предъявленным к нему требованиям технического задания и разработанным ТТТ. Расхождения наблюдаются в требованиях полной унификации и стандартизации используемой элементной базы и несущих конструкций.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Для коммутации с внешними приборами и устройствами использовались широко распространенные в настоящее время разъемы.

Устройство выполнено на одной двухсторонней печатной плате с использованием технологии поверхностного монтажа, что позволило снизить массогабаритные и экономические характеристики изделия. Для изготовления печатных плат данного устройства выбран двухсторонний фольгированный диэлектрик, выпускаемый в виде листов СФ2-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

Метод изготовления печатных плат - комбинированный.

Сущность комбинированного метода заключается в получении ПП из фольгированного диэлектрика с металлизацией отверстий. Достоинством этого метода является возможность получения печатных плат с более насыщенным монтажом, повышенной точностью и надежностью.

Поверхностно-монтируемые изделия (ПМИ) установлены с одной стороны платы в соответствии с РД107.460000.019-90. Стандарт разработан с учетом обеспечения возможности механизации и автоматизации технологических процессов сборки изделия. Печатная плата со стороны установки ПМИ должна быть покрыта защитной маской, кроме мест пайки.

Центры отверстий и контактных площадок должны располагаться в узлах координатной сетки. По краям печатной платы и вокруг монтажных отверстий необходимо оставлять свободные зоны, в которых не должно быть проводников и элементов. Контактные площадки рекомендуется применять прямоугольной формы. Ширина печатного проводника должна быть не более 0,4 мм; расстояние между двумя соседними проводниками не менее 0,3 мм.

Для пайки ЭРЭ выбран мягкий припой ПОС-61 - припой оловянно-свинцовый, содержит 61 % олова, 39% - свинца, температура пайки около 200 є С.

При разработке данного устройства приняты меры для уменьшения паразитных связей и наводок.

Блок является безопасной конструкцией при эксплуатации и ремонте. Малые напряжения питания исключают поражения электрическим током.

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ

Из-за своей высокой сложности ремонт должен производится только в специализированных мастерских при снятии крышки, хорошо обученным персоналом и при наличии специализированного оборудования.

Быстрота разборки и сборки обеспечивается использованием винтов в качестве закрепляющих элементов. Доступ к элементам схем, требующим замены в процессе эксплуатации, осуществляется при снятии крышки с корпуса. Так как в в устройстве используется печатный монтаж ЭРЭ, то для их замены необходимо демонтировать плату и отпаять нуждающийся в замене элемент. Печатная плата генератора закреплена в корпусе 4 винтами М2.

7.1 Требования к корпусу и к компоновке

Устройство обладает хорошей компоновкой, так как внутреннее пространство использовано максимально.

Генератор собран на одной печатной плате, и скоммутирован с батареей питания посредством клемм объемного монтажа.

Плата с ЭРЭ установлена в алюминиевый корпус, выполняющий роль электромагнитного экрана. Прибор предназначен для изготовления в мелкосерийном производстве. Это позволяет выбрать метод литья под давлением при изготовлении корпуса.

Литье под давлением относится к прогрессивным методам формообразования деталей и может быть использовано при мелкосерийном производстве, соответствующем заданной в ТЗ программе выпуска приборов штук в год.

Литье под давлением обеспечивает требуемую шероховатость поверхности Ra3,2…6,3. Корпус является несущей конструкцией и электромагнитным экраном, защищает плату с элементами от влаги и пыли. В качестве материала корпуса выбран литейный алюминиевый сплав АЛ9. Форма блока в виде параллелепипеда с осуществлением литейных скруглений по углам выбрана для обеспечения удобства им безопасности при эксплуатации и транспортировке.

Разъемы установлены на плате и выведены через отверстия в корпусе наружу. Герметизация осуществлена при помощи резиновых уплотнительных прокладок. Крышка крепится к основанию с помощью 6 винтов М2 с потайной головкой. В корпусе предусмотрены шесть приливов для их установки. Корпус покрыт анодно-окисным покрытием м хромированием Ан. Окс. Хр., применяемым для защиты от коррозии и обеспечивающим хорошую электропроводность. Это покрытие является хорошей основой для нанесения лакокрасочного покрытия ПФ-115.

Благодаря конструкции корпуса и использованных при его конструировании материалов были обеспечены необходимые в данных условиях эксплуатации жесткость и прочность прибора.

7.2 Требования технической эстетике и эргономики

Удаление пыли с внешней поверхности блока удобно, а удаление ее с внутренней стороны не требуется, т.к. корпус герметизирован и защищен от попадания пыли.

На лицевой панели устройства расположены слева направо: гнездо для подключения внешнего блока питания, трехпозиционный движковый переключатель, управляющий включением и режимом питания прибора, высокочастотный разъем для внешней коммутации устройства.

8. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

генератор фазовая частота

Неотъемлемой частью разработки любого устройства являются конструкторские расчеты, от которых зависит выбор технологий, конструкторских решений и условия эксплуатации приборов. В данном проекте было проведено несколько конструкторских расчетов.

8.1 Расчет прочности конструкции

Цель расчета: определить собственную частоту, прогиб и прочность при воздействии на плату с ЭРЭ ударной нагрузки. Сравнить полученные результаты с допустимыми значениями и сделать вывод о правильности конструкторского решения - о выборе материала и размеров платы, о способе крепления платы на объекте установки, о выборе типов ЭРЭ, установленных на плате.

Большинство элементов конструкций РЭС могут быть представлены пластинами или балками. К пластинам можно отнести стенки кожухов или корпусов блоков, шасси, печатные платы т.е. такие элементы у которых размеры длины и ширины одного порядка, а размер толщины значительно меньше. К балкам можно отнести элементы каркаса стоек, блоков, рамки кассет и др. т.е. такие элементы конструкций у которых два размера поперечного сечения много меньше протяженности этого элемента

Исходные данные для расчета элементов типа "плата".

- геометрические размеры платы;

Материал платы СФ2-35-1,5;

- масса платы;

- модуль упругости материала платы;

- плотность материала платы;

- перегрузка при ударе;

- длительность ударного импульса.

Расчет проводится по методике. От реальной конструкции платы с ЭРЭ был произведен переход к расчетной модели - в виде пластины прямоугольной формы с определенным способом закрепления.

1) Определим амплитуду ускорения при ударе

(8.1.1)

где - ускорение свободного падения

- перегрузка при ударе

2) Находим величину скорости в начальный момент удара

(8.1.2)

- длительность ударного импульса, .

3) Находим частоту свободных колебаний (первой гармоники)

, (8.1.3)

где - частотная постоянная;

- толщина платы, ;

- большая сторона платы, ;

- коэффициент, учитывающий материал платы;

- коэффициент, учитывающий массу платы и массу установленных на ней элементов.

Здесь , (8.1.4)

где - модуль упругости материала платы;

- модуль упругости стали;

- плотность стали;

- плотность материала платы.

, (8.1.5)

где - масса элементов и масса платы, .

Определим частотную постоянную

, (8.1.6)

где - коэффициент, зависящий от краевых условий закрепления пластины (см. табл.2)

Данная плата закреплена по варианту 1 по таблице 8.1.1.

(8.1.7)

(8.1.8)

- цилиндрическая жесткость платы на изгиб,

где , (8.1.9)

где - коэффициент Пуассона. Для большинства материалов его величину можно принять равной 0,3.

Таблица 8.1.1 - Варианты закрепления плат

№	Схема закрепления	Формула для расчета
1
2
3
4
5
6

(8.1.10)

4) Определим жесткость платы

(8.1.11)

5) Находим статический прогиб платы

(8.1.12)

6) Максимальный прогиб платы при ударе

(8.1.13)

7) Находим полную динамическую деформацию платы

(8.1.14)

8) Эквивалентная сила удара

(8.1.15)

9) Определим расчетный коэффициент запаса

(8.1.16)

где - запас прочности;

- степень ответственности детали;

- однородность механических свойств материала.

В расчете

10) Находим допустимое напряжение в материале платы

(8.1.17)

где - предельное допустимое напряжение в материале платы.

11) Определим изгибающий момент, действующий на плату

(8.1.19)

12) Определим момент инерции сечения платы

(8.1.20)

13) Момент сопротивления изгибу пластины

(8.1.21)

14) Находим напряжение, возникающее в материале платы

(8.1.22)

Сравнивая расчетное значение в материале платы с допустимым значением для данного материала (стеклотекстолита фольгированного) видим, что

,следовательно, данная конструкция способна выдержать действующую ударную нагрузку.

8.2 Расчет эффективности экранирования

Целью расчета эффективности экранирования является исследование процесса экранирования электромагнитных полей на сверхвысоких частотах и определение затухания экранирования.

Действие электромагнитных экранов можно представить как многократное отражение электромагнитных волн от поверхности экрана и затухание высокочастотной энергии в металлической толще экрана.

Затухание энергии в экране (экранирование поглощения) А_п обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле экрана. Чем выше частота и толще экран, тем больше поглощение энергии в экране и больше величина экранного затухания за счет поглощения (больше эффект экранирования).

Отражение энергии (экранирование отражения) связано с несоответствием волновых характеристик металла, из которого изготовлен экран и диэлектрика (воздуха), окружающего экран. Чем больше различие между волновым сопротивлением диэлектрика и металла, тем сильнее эффект экранирования отражения.

Проектируемый генератор может работать в диапазоне от 100 до 2500 МГц и относится к СВЧ устройствам. Прибор заключен в корпус выполненный литьем под давлением из алюминиевого сплава АЛ9 и крышки изготовленной по аналогичной технологии, соединенных между собой винтами. Размеры корпуса с крышкой (100Ч50Ч25) мм. Корпус является несущей конструкцией, защитой прибора от влаги и пыли, а также выполняет функцию электромагнитного экрана и отводит излишки тепла.

В состав генератора входит одна катушки индуктивности, причем она имеет собственный экран и поэтому не может служить источником помех.

Разрабатываемый прибор можно отнести к приемникам помех, т.е. к устройствам, изменяющим свои параметры под действием внешних электромагнитных полей. Следовательно, генератор должен быть защищен от внешних источников помех. Источник помех может воздействовать на устройство по электромагнитному полю и гальваническим путем - по корпусу, по печатным проводникам, по системе заземления, по общим шинам, по проводам и кабелям. К источникам помех можно отнести системы радиовещания и телевидения, мобильной связи и др.

На диапазон СВЧ распространяется волновой режим экранирования, охватывая область дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. В волновом режиме следует исходить из волн высшего порядка двух типов: поперечно-магнитной TM (волна H), характеризующей экранирование магнитного поля, и поперечно-электрической TE (волна E), характеризующей экранирование электрического поля.

Особенностью волнового режима является колебательный волновой характер изменения затухания экранирования электрической и магнитной волны с ростом частоты.

Для оценки эффективности экранирования, которое вносит металлический экран, следует пользоваться формулой (8.1.1).

(8.1.1)

где экранное затухание поглощения, ;

экранное затухание отражения, ;

коэффициент вихревых токов;

круговая частота, ;

абсолютная магнитная проницаемость среды или материала экрана;

относительная магнитная проницаемость материала экрана;

магнитная постоянная свободного пространства;

электрическая проводимость материала экрана, ;

толщина экрана, равная глубине проникновения поля в толщину экрана, ;

волновое сопротивление среды, ;

волновое сопротивление материала экрана, .

Исходные данные:

Материал корпуса - алюминиевый сплав АЛ9;

Размеры корпуса с крышкой: (100Ч50Ч25) мм.

1) Находим значения коэффициента вихревых токов и глубины проникновения высокочастотного поля в толщину экрана (табл. 1.2 [ 6 ]):

мм^-1;

2) Находим значение волнового сопротивления алюминия

(табл. 1.3 [6]):

3) Находим значения волновых сопротивлений диэлектрика в электрическом и магнитном полях (табл. 1.8 [ 6 ]):

4) Определяем затухание экранирования электрического поля в волновой зоне:

5) Определяем затухание экранирования магнитного поля в волновой зоне:



Затухание в 1 непер соответствует уменьшению мощности в 7,4 раза, а тока или напряжения в 2,718 раза. Расчет эффективности экранирования показал, что выбранный материал экрана, которым является корпус прибора, обладает хорошим экранирующим эффектом.

8.3 Расчет влагозащиты

Уплотнительные прокладки используют для обеспечения герметичности в разъемных конструкциях. В качестве уплотняющего элемента применяют упругие материалы. Наиболее часто в качестве такого материала используют резину. Резина обладает большой упругостью и достаточно надежно обеспечивает уплотнение соединяемых частей конструкции. Хорошие уплотняющие свойства резины наблюдаются только при относительно малых деформациях, в пределах тридцати процентов. При больших деформациях наблюдается быстрое старение резины. Резина трескается, теряет упругие свойства и происходит нарушение герметичности соединяемого стыка. Необходимо помнить, что резина практически несжимаемый материал, поэтому если в резине возникнут напряжения выше допустимых, то наблюдается быстрое старение резины и как следствие потеря упругих свойств. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании уплотнительных канавок, в которые укладывается уплотнительный резиновый шнур. Пример конструкции уплотнительной канавки представлен на рис. 8.3.1. - показана крышка с выступом, который входит в уплотнительную канавку и препятствует боковому смещению крышки относительно корпуса блока. При такой конструкции крепежные винты несут только осевую нагрузку и не испытывают нагрузки на срез.

Резины выпускаются в виде пластин толщиной от 0,5 мм до 60 мм. В интервале толщин от 0,5 до 2,0 мм с шагом 0,5. В интервале от 2,0 до 20,0 мм с шагом 1 мм, от 20,0 до 60,0 мм с шагом 10 мм.

Но механически вырезать прокладку из листа резины можно только в условиях единичного или мелкосерийного производства. В условиях серийного производства такая операция будет экономически не выгодна. В этом случае уплотнительные прокладки получают путем вулканизации сырой резины в пресс-формах. Параметры и марки резин, из которых получают детали путем вулканизации приведены в табл. 8.3.1.

Рис 8.3.1 - Уплотнение с крышкой имеющей выступ, который входит в уплотнительную канавку

Таблица 8.3.1 - Параметры и марки резиновых смесей

Марка резины	Условия работы	Рабочая среда	Диапазон температур, 0С	Предел прочности при растяжении, кгс/см2	Твердость по Шору
200а	Тяжелые условия сжатия	Вода, воздух	-45…+80	200	50…65
16р8			-45…+80	200	50…65
К-4355			-45…+80	200	50…60
1626	Значите-льное сжатие	Вода, воздух, бензин, масло	-45…+80	100	45…60
2671		Вода, воздух	-45…+80	50	50…65
4591		Вода, воздух, бензин, масло	-35…+80	130	60…75

Исходные данные:

Блок имеет литой корпус с крышкой. Между корпусом и крышкой необходимо проложить резиновую уплотнительную прокладку. Определить необходимое количество крепежных болтов (винтов) и их размер.

В качестве уплотнительного материала прокладки использовать вулканизированную резину 2671 (Табл. 8.3.1). Деталь АН305.324.001 упрощенно можно представить как прокладку прямоугольного сечения 0,5x0,7 мм.

Последовательность расчета

Допустимое сжатие резины без остаточных деформаций не должно превышать 30% т.е. относительное сжатие

= h₁-h₂/h₁ 30%,(8.3.1)

где h₁ и h₂ - высота прокладки до и после сжатия.

= 0,7-0,5/0,7= 0,29 0,3,

Из таблицы 8.3.1 находят твердость резины А по шкале Шора. По известной величине твердости из графика рис. 8.3.2 находят модуль сдвига, G. Предположим, что для выбранной марки резины твердость по Шору А, равна 50. При этом модуль сдвига G=8,2 кг/см². Соотношение между модулем упругости и модулем сдвига составляет Е=ЗG, для нашего случая Е=24,6 кг/см².

Далее определяют условный модуль упругости с учетом трения резины с металлической поверхностью.

Е_у=Е(1+Ф),

где: Е - модуль упругости;

= 2,

= 0,6...0,8 - коэффициент трения скольжения в стыке металл-резина;

Ф - коэффициент формы.

Для прямоугольного сечения шнура коэффициент формы Ф=a/2h,

где а - ширина шнура, а h - его высота.

Рис 8.3.2 - График зависимости модуля сдвига от твердости резины

Ф=1/1,4=0,71;

Е_у=24,6(1+1,2х0,71) = 45,6 кг/см²;

Напряжение в резине =Е_у.

= 0,29х45,6=13,22 кг/см²;

Находят силу сжатия Р=S, где S - площадь соприкосновения резины с корпусом.

Р= 13,22х3,25 = 42,97 кг,

Из конструктивных соображений определяют необходимое количество крепежных винтов. Зная силу сжатия и число винтов определяют усилие, приходящееся на один винт. Р=F/n, где п количество винтов.

Определяют внутренний диаметр винта:

, мм

где _в предел прочности материала винта на растяжение.

В нашем случае можно принять _в = 42, для стали А12.

мм.

По полученному значению внутреннего диаметра резьбы, выбираем ближайшее большее из стандартного ряда винтов и выбираем соответствующий тип винта. При завинчивании болта за счет трения возникает скручивающий момент, с учетом которого дополнительно проверяем наружный диаметр винта:

мм.

Исходя из полученного значения видим, что наиболее близким из стандартного ряда является винт М2.

8.4 Расчет упаковочной тары

1 При транспортировании на РЭС могут воздействовать удары, линейные ускорения, вибрационные нагрузки. Данные механические воздействия могут серьезно воздействовать на полупроводниковые компоненты устройства. Упаковочная тара должна гарантировать сохранность РЭС при её транспортировке любыми транспортными средствами. Контейнер для транспортировки изготовляют из недорогих материалов. В качестве таких материалов используют металл, слоистое стекловолокно и дерево. Между жесткой оболочкой тары и поверхностью РЭС прокладывают упругие амортизационные прокладки, которые гасят вибрационные и ударные нагрузки при транспортировке.

Механические свойства упаковочных материалов характеризуются соотношением между приложенной к поверхности материала нагрузкой и деформацией материала, вызываемой этой нагрузкой

,(8.4.1)

называемой статической жесткостью.

Амортизирующие прокладки могут быть упругие и неупругие. Первые полностью восстанавливают свою толщину после снятия приложенной нагрузки. В неупругих прокладках наблюдается остаточная деформация, поэтому они называются прокладками разового пользования. Характеристики некоторых упругих упаковочных материалов представлены в таблице 8.4.1.

Таблица 8.4.1 - Характеристики упругих упаковочных материалов

Материал	Плотность , г/см3	Предельное допустимое давление , Н/см2	Коэффициент демпфирования
Пенопласт полиуретановый (поролон)	0,03…0,07	0,8…1,0	0,10
Резина губчатая	0.127	3	0,12

Исходные данные для расчета:

- масса устройства, кг;

- площадь опорной поверхности блока, см²;

- наибольшая перегрузка допустимая на РЭС.

1) Определение восстанавливающей силы после удара, которая вызовет в прокладке механическое напряжение:

, Н/см², (8.4.2)

где - наибольшая перегрузка, допустимая на РЭС.

2) Нахождение потенциальной энергии поднятого на высоту блока РЭС, которая приводит к максимально допустимой деформации прокладки:

, Дж.(8.4.3)

Полагая, что потенциальная энергия полностью переходит в энергию деформации прокладки, можно записать

, Дж.(8.4.4)

где - объем прокладки, см³; - энергия, запасенная в единице объема прокладки при минимальной упругой деформации, Дж/см³.

3) Нахождение расчетной толщины прокладки:

, см.(8.4.5)

С учетом выражения (8.4.2) и обозначая, толщина прокладки будет равна:

, см.(8.4.6)

Для приближенного расчета удобно использовать выражение:

, см.(8.4.7)

На рисунке 8.4.2 представлены зависимости для поролона и губчатой резины.

Расчет прокладки.

Исходные данные для расчета:

, кг;

, см²;

.

1) Определим предельно допустимое напряжение в прокладке, которое возникнет после удара:

,

Н/см².

2) Найдем расчетную толщину прокладки:

,



Рис. 8.4.1 - Зависимость для поролона и губчатой резины: 1 - поролон, плотность г/см³; 2 - губчатая резина, плотность г/см³

По рисунку 8.4.2 определим для поролона с Н/см², , тогда:

,

Примем высоту падения за один метр, тогда:

см.

Согласно проведенному расчету для транспортирования генератор необходимо поместить в упаковочную тару с амортизирующей прокладкой из поролона толщиной не менее 0,6 см.

9. Техническое описание конструкции

Устройство генератор с ФАПЧ для диапазона ОВЧ-УВЧ, разрабатываемое в данном дипломном проекте, относится к классу наземной носимой аппаратуры, которая предназначена для работы на теле человека как в зданиях и сооружениях, так и на открытом воздухе. Масса данного устройства составляет менее 0,2 кг.

Диапазон рабочих частот, МГц ……….. 100-2500;

Напряжение питания, В………………… 5 (7-15);

Диапазон перестройки частоты…………15…25%

Масса, кг…………………………………. менее 0,2;

Габаритные размеры, мм……………….. 106х50х25.

Схема структурная электрическая АН468.757.001Э1.

Схема принципиальная электрическая АН468.757.001Э3.

Сборочный чертеж блока АН468.757.001.

Схема электрическая принципиальная с перечнем элементов генератора - АН468.757.001Э3 и АН468.757.001ПЭ.

Генератор состоит из одной малогабаритной (45х40 мм) печатной двусторонней платы АН741.100.001 с ЭРЭ АН468.757.002, помещенную в блок размерами 100Ч50Ч25 мм. Плата через демпфирующие прокладки АН305.323.002 привинчивается 4 винтами М2 к отверстиям в приливах корпуса. На лицевую панель блока выведены установленные на плате трехпозиционный переключатель, управляющий режимами питания прибора и его включением, гнездо для подключения внешнего блока питания, высокочастотное гнездо, для снятия выходного сигнала. Эти коммутационные изделия герметизируются уплотнителем АН305.321.001 и уплотнительными прокладками АН305.322.001 и АН302.323.001, соответственно. Блок состоит из литого алюминиевого корпуса АН8.020.001, к которому при помощи 6 винтов М2 с потайной головкой, через уплотнитель АН305.324.001, прикручивается крышка АН301.250.001, состоящая из крышки-основания АН301.250.002, и крышки батарейного отсека АН8.054.001. Крышка АН8.054.001 вдвигается в крышку-основание АН301.250.002, причем данное соединение герметизируется уплотнительной прокладкой АН305.322.002.

В корпус на резиновую прокладку так же помещается аккумуляторная батарея GP 7,2 В высокой емкости. С батареей соединяется специальная коммутационная клемма АН7.752.001, полученная доработкой стандартного изделия BS-EC. Клемма крепится направляющей АН8.208.001, входящей в специально предусмотренные пазы корпуса. Батарея подпружинивается пружиной АН8.387.001. Высокочастотное гнездо LEMO FFA соединяется с XW1, установленным на плате, посредством коаксиального кабеля RG178B/U 50Ом диаметром 2,6 мм и углового штекера AMP 829951.

Все ЭРЭ являются покупными изделиями. Они выполнены в корпусах для поверхностного монтажа (кроме разъемов, стабилизатора напряжения и варикапа) и установлены на плату в соответствии РД107.46000.019-90.

Прибор требует настройки. После настройки прибор закрывают крышкой. Головки винтов ставятся на краску (стопорятся, для предотвращения самопроизвольного отвинчивания).

Устройство не рекомендуется разбирать самостоятельно. Ремонт разрешается производить только в специализированных мастерских. Следует избегать попадания прямых солнечных лучей на блок. Не следует располагать изделие вблизи от источников теплового излучения. При соблюдении всех вышеперечисленных требований устройство безопасно в эксплуатации.