Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

• Введение
• 1. Системотехническое проектирование
• 1.1 Основные методы и приборы генерации сигналов средневолнового диапазона и способы их излучения
• 1.2 Обзор выпускаемых промышленностью измерительных антенн на частоты средневолнового диапазона
• 1.3 Согласующие устройства генератора и антенны
• 1.4 Разработка структурной схемы проектируемого устройства
• 2. Функциональное проектирование
• 2.1 Блок управления
• 2.2 Блок подстройки частоты
• 2.3 Блок измерения частоты
• 3. Схемотехническое проектирование
• 3.1 Подключение интегральных микросхем
• 3.2 Обеспечение питания устройства
• 3.3 Расчет усилителя по постоянному току
• 4. Конструкторско-технологическое проектирование
• 4.1 Разработка конструкции устройства
• 4.2 Разработка печатной платы
• 5. Исследование синтезатора частот средневолнового диапазона
• 5.1 Исследование синтезатора
• 5.2 Исследование синтезатора с излучающей антенной
• 6. Расчет экономических показателей
• 7. Охрана труда и экологическая безопасность
• 7.1 Охрана труда на производстве
• 8. Ресурсо - и энергосбережение
• 8.1 Государственные требования к ресурсосбережению
• 8.2 Ресурсосбережение в радиоэлектронной промышленности
• 8.3 Государственное регулирование в области энергосбережения
• 8.4 Энергосбережение в радиоэлектронной промышленности
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

В настоящее время практически не осталось областей человеческой деятельности, которых бы не коснулось развитие электроники и микроэлектроники. Ни одна из наукоемких областей производства не может конкурировать по темпам развития с электронной промышленностью. Внедрение транзистора вместо лампы и его интегральное исполнение в последующем позволили создавать малогабаритные устройства с низким энергопотреблением. Постоянное увеличение степени интеграции и инновационные разработки в сфере микроэлектроники уже сейчас дают возможность создавать полноценные микрокомпьютеры на одном кристалле площадью менее квадратного сантиметра.

Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты [1]. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту.

Синтезатор частот - устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частоты обычно выполняются с применением цифровой техники, то есть необходимая частота задается в цифровом виде, управление осуществляется с помощью микроконтроллера. Основной функцией абсолютно любого синтезатора является преобразование опорного сигнала (reference) в требуемое количество выходных сигналов.

Синтезаторы частоты бывают следующих типов:

аналоговый синтезатор;

цифровой синтезатор;

синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты.

Тема дипломного проекта "Синтезатор частоты средневолнового диапазона". Целью дипломного проекта является разработка простого в техническом плане и относительно дешевого синтезатора частоты средневолнового диапазона. Данный прибор будем применяться для исследования и в последствии генерации излучения для уничтожения вредителей (клещей).

1. Системотехническое проектирование

1.1 Основные методы и приборы генерации сигналов средневолнового диапазона и способы их излучения

Генератор сигналов - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т.д.) [2].

Генераторы состоят из источника и формирователя. Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охвчаенного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электричского фильтра).

Генераторы электрических колебаний подразделяются на:

1) По форме выходного сигнала:

– синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.);

– прямоугольных импульсов - мультивибраторы, тактовые генераторы;

– функциональный генератор прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов;

– генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН);

– генератор шума.

2) По частотному диапазону:

– низкочастотные;

– высокочастотные.

3) По принципу работы:

– стабилизированные кварцевым резонатором - Генератор Пирса;

– блокинг-генераторы;

– генераторы-LC;

– генераторы-RC;

– генераторы на туннельных диодах.

4) По назначению подразделяются на генератор тактовых импульсов.

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

Генераторы гармонических колебаний.

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собойусилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным. Блок схема генератора представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Блоксхема генератора

Типовой график зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Типовойграфик зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n·2р и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора - на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители. LC-генератор с перекрёстными связями на кольце из двух инверторов представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - LC-генератор с перекрёстными связями на кольце из двух инверторов

синтезатор частота средневолновой диапазон

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:

1) петлевой сдвиг фазы равный n·360°±90°;

2) петлевое усиление >1;

3) рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.

Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений - неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.

В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

Генераторы сигналов специальной формы предназначены для использования при разработке, производстве и контроле аппаратуры от инфранизкочастотного до ультразвукового диапазонов. Например, при работе с геофизической аппаратурой генераторы могут имитировать инфранизкочастотные колебания, распространяющиеся в водной среде; при работе с медицинской аппаратурой генераторы могут выдавать сигнал с частотой, аналогичной частоте дыхания или пульса.

Генератор Г6-46 формирует сигналы синусоидальной, треугольной, пилообразной и прямоугольной (уровень ТТЛ) форм в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц с разделением на семь поддиапазонов. В пределах каждого из поддиапазонов осуществляется плавная перестройка частоты. Для измерения и индикации частоты формируемых сигналов генератор имеет внутренний частотомер.

Генератор предназначен для исследования, настройки и испытаний систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, вычислительной технике, приборостроении. Генератор Г6-46 (генератор сигналов функциональный) - оптимальное сочетание низкой цены и высоких технических характеристик.

Генератор функциональный Г6-46 имеет следующие преимущества:

1) синхровыход с сигналом ТТЛ;

2) малые габариты и вес;

3) цифровая индикация частоты формируемых сигналов.

Генератор Г6-46 изображен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - ГенераторГ6-46

Основные параметры:

- формы сигналов: синусообразный (синус), треугольнообразный (треугольник), прямоугольнообразный (прямоугольник), пилообразный (пила);

- дополнительный выход синхросигнала ТТЛ;

- семь поддиапазонов, цифровой индикатор частоты;

- погрешность установки частоты ±1%;

- нестабильность частоты 0,5% за 15 мин;

- размах сигнала ?20 В без нагрузки, и ?10 В с нагрузкой в 600 Ом;

- коэффициент гармоник ?5% в диапазоне от10 до 100 кГц;

- выброс на вершине и в паузе между импульсами 5%

- длительность фронта, импульсов не более 100 нс;

- нелинейность треугольника, пилы 1,5% в диапазоне от 1 до 100 Гц;

- внешняя частотная модуляция;

- плавное и ступенчатое ослабление сигнала;

- габариты (71х210х248) мм, масса 2 кг;

- питание 220 В, мощность 10 В·А.

Технические характеристики генератора Г6-46 представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технические характеристики генератора Г6-46

Наименование	Характеристики
Диапазон частот	от 0,1 Гц до 1 МГц
Погрешность установки частоты	± 1 %
Амплитуда сигнала: - на нагрузке 600 Ом - без нагрузки	не менее 5 В,размах 10 В не менее 10 В,размах 20 В
Плавное ослабление сигнала	не менее 20 дБ
Нестабильность частоты за 15 мин	не более 0,5 %
Параметры сигнала синусоидальной формы: - коэффициент гармоник в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц - неравномерность уровня сигнала относительно уровня на частоте 1 кГц на частотах: от 1 Гц до 100 Гц. от 100 Гц до 10 кГц. от 10 кГц до 100 кГц. от100 кГц до 1 МГц.	не более 3 % не более 3 % не более 1,5 % не более 3 % не более 5%
Параметры сигнала прямоугольной формы: - длительность фронта и среза - выбросы на вершине - погрешность коэффициента заполнения	не более 100 нс не более 5 % не более 5 %
Параметры сигнала треугольной и пилообразной форм: - нелинейность на уровне от 0,1 до 0,9 в диапазоне частот от1 до 100Гц	не более 1,5 %
Параметры сигнала прямоугольной формы (уровень ТТЛ): - время перехода из "1" в "0" и из "0" в "1" - напряжение "1" - напряжение "0"	не более 100 нс не менее 2,4 В не более 0,4 В
Общие характеристики
Напряжение питания	230 ±23 В c частотой 50 ±0,5 Гц
Потребляемая мощность	не более 10 В·А
Габаритные размеры	(210x258x71) мм
Масса	не более 2 кг
Условия эксплуатации
Рабочая температура	от 5 до 40°С
Влажность	80% при 25°С
Диапазон частот	от 0,1 Гц до 1 МГц
Погрешность установки частоты	± 1 %

Генератор Г3-131 (генератор сигналов низкочастотный) формирует сигналы синусоидальной и прямоугольной (уровень ТТЛ) форм в диапазоне частот от 2 Гц до 2 МГц с разделением на шесть поддиапазонов. В пределах каждого из поддиапазонов осуществляется плавная перестройка частоты. Для измерения и индикации частоты формируемых сигналов генератор имеет внутренний частотомер. Генератор предназначен для исследования, настройки и испытаний систем и приборов используемых в промышленности, науке и образовании. Генератор Г3-131 имеет следующие преимущества:

1) широкий диапазон частот;

2) цифровая индикация частоты;

3) светодиодная индикация рабочего диапазона и уровня ослабления;

4) псевдосенсорный выбор рабочего диапазона.

Генератор Г3-131 изображен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Генератор Г3-131

Основные параметры:

- формы сигналов: синус, импульс ТТЛ;

- шестьподдиапазонов, цифровой индикатор частоты;

- погрешность установки частоты ±1%;

- нестабильность частоты 0,1% за 15 мин, 0,5% за 180 мин;

- амплитуда ?10 В без нагрузки, и ?5 В с нагрузкой в 600 Ом;

- коэффициент гармоник0,5% до 20Гц,0,2% до 200 кГц, 1% до 2 МГц;

- плавное и ступенчатое ослабление сигнала;

- габариты (71х210х248) мм, масса 2 кг;

- питание220 В, мощность 10 В·А.

Технические характеристики генератораГ3-131представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Технические характеристики генератораГ3-131

Наименование	Характеристики
1	2
Диапазон частот	от 2 Гц до 2 МГц
Погрешность установки частоты	± 1 %
Амплитуда сигнала: - на нагрузке 600 Ом - без нагрузки	не менее 5 В не менее 10 В
Плавное ослабление сигнала	не менее 20 дБ
Нестабильность частоты: - за 15 мин - за 180 мин	не более 0,1 % не более 0,5 %
Коэффициент гармоник: - в диапазоне частот от 10 Гц до 20 Гц - в диапазоне частот св.20 Гц до 200 кГц - в диапазоне частот св. 200 кГц до 2 МГц	не более 0,5 % не более 0,2 % не более 1 %
Параметры сигнала прямоугольной формы (уровень ТТЛ): - время перехода из "1" в "0" и из "0" в "1" - напряжение "1" - напряжение "0"	не более 100 нс не менее 2,4 В не менее 0,4 В
Напряжение питания	230 ±23 В c частотой 50 ±0,5 Гц
Потребляемая мощность	не более 10 В·А
Габаритные размеры	(210x248x71) мм
Масса	не более 2 кг
Условия эксплуатации
Рабочая температура	от 5 до 40°С
Влажность	80% при 25°С

Разрабатываемый синтезатор частот средневолнового диапазона будет использоваться для исследования влияния средневолнового излучения на жизнеспособность паразитов (клещей). Паразиты - это организм, живущий на поверхности или внутри другого организма и питающийся за его счёт.

1.2 Обзор выпускаемых промышленностью измерительных антенн на частоты средневолнового диапазона

Антенна - устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Приемная измерительная активная антенна П6-119 предназначена для осуществления измерений напряженности магнитного поля в диапазоне частот от9 кГц до 30 МГц. Рекомендована для метрологических приложений и задач оценки ЭМС и ПЭМИН. Измерительная антенна П6-119 изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Измерительная антенна П6-119

Обладает высокими динамическими характеристиками. Диаметр рамки антенны составляет 599 мм. Возможна эксплуатация в лабораторных и полевых условиях, а также на средствах подвижности. Конструкция предусматривает возможность крепления антенны на опору любого типа с присоединительным размером ј unc 20. Поставляется с калибровочным сертификатом. Возможна поставка с функцией бланкирования активной части. В таблице 1.3 представлены технические характеристики измерительной антенны П6-119.

Таблица 1.3 - Технические характеристики измерительной антенны П6-119

Наименование	Характеристики
Диапазон частот	от 9 кГц до 30 МГц
Коэффициент калибровки	от 27 до 24 дБ (1/м)
Чувствительность по полю	25 мкА/м
Предел погрешности	± 1,5 дБ
Напряжение питания	± 15 В
Потребляемый ток	± 100 мА
Тип СВЧ соединителя	SMA
Габариты	(84х599х683) мм
Масса	2,5 кг
Диапазон рабочих температур	от-40 до + 65°С

Приемная измерительная активная антенна П6-120 предназначена для осуществления измерений напряженности электрического поля в диапазоне частот от 9 кГц до 30 МГц. Рекомендована для метрологических приложений и задач оценки ЭМС и ПЭМИН. Обладает высокими динамическими характеристиками. Возможна эксплуатация в лабораторных и полевых условиях, а также на средствах подвижности. Поставляется с калибровочным сертификатом. Возможна поставка с функцией бланкирования активной части. Технические характеристики антенны П6-120 представлены в таблице 1.4

Таблица 1.4 - Технические характеристики антенны П6-120

Наименование	Характеристики
Диапазон частот	от 9 кГц до 30 МГц
Коэффициент калибровки	от - 14 до + 4,5 дБ (1/м)
Чувствительность по полю	25 мкА/м
Пределы погрешности	± 1,5 дБ
Напряжение питания	± 15 В
Потребляемый ток	± 100 мА
Тип СВЧ соединителя	SMA
Габариты	(1476х688х688) мм
Масса	5,0 кг

Измерительная антенна П6-120 изображена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Измерительная антенна П6-120

Приемная измерительная активная антенна П6-220 предназначена для осуществления измерений напряженности электрического поля в диапазоне частот от 9 кГц до 30 МГц. Рекомендована для метрологических приложений и задач оценки ЭМС и ПЭМИН. Обладает высокими динамическими характеристиками. Возможна эксплуатация в лабораторных и полевых условиях, а также на средствах подвижности. Имеет функцию бланкирования активной части. Рекомендуется для использования во вновь разрабатываемых системах измерения ЭМП в соответствии с ГОСТ Р 513.4.3-2008 (МЭК 61000-4.3). Поставляется с калибровочным сертификатом. Измерительная антенна П6-220 изображена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Измерительная антенна П6-220

Технические характеристики антенны П6-220 представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Технические характеристики антенны П6-220

Наименование	Характеристики
Диапазон частот	от 9 кГц до 30 МГц
Коэффициент калибровки	от - 14 до + 6,8 дБ (1/м)
Чувствительность по полю	25 мкА/м
Пределы погрешности	± 1,5 дБ
Напряжение питания	± 15 В
Потребляемый ток	± 100 мА
Тип СВЧ соединителя	SMA
Габариты	459х200 мм
Масса	1,1 кг
Диапазон рабочих температур	от - 40 до + 65°С

Данные антенны могут использоваться для измерений параметров созданного синтезатора частот средневолнового диапазона.

1.3 Согласующие устройства генератора и антенны

Важнейшим элементом обеспечивающим излучения сигналов в том числе в заданном диапазоне является согласующее устройство.

Антенное согласующее устройство (АСУ) - техническое средство, предназначенное для согласования параметров антенны с параметрами передатчика, приемника или фидерной линии, выполненное в виде отдельного блока, устанавливаемого непосредственно у ввода антенны [3]. При необходимости, с помощью АСУ производится также симметрирование антенны. Под согласованием подразумевается такое преобразование входного или выходного сопротивления антенны, чтобы оно было равно волновому сопротивлению питающего фидера, либо, при непосредственном подключении (без фидера), соответствовало оптимальной работе выходного устройства передатчика, входного устройства приёмника.

Фидер - электрическая цепь (линия передачи) и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику. Под вспомогательными устройствами понимают соединители, вентили, фазовращатели и т.д.[4].

Основные виды антенного согласующего устройства:

– антенное согласующее устройство с неперестраиваемыми параметрами, для узкого диапазона частот;

– узкодиапазонные антенное согласующее устройство на дискретных LC-элементах;

– антенное согласующее устройство на основе цепей с распределёнными параметрами (на отрезках линий);

– антенное согласующее устройство с ручной настройкой;

– антенное согласующее устройство с автоматической настройкой.

Общие принципы антенного согласующего устройства на дискретных элементах. Согласование в таких АСУ производится с помощью цепей, состоящих из катушек индуктивности и конденсаторов, то есть элементов, имеющих реактивный характер сопротивления, не потребляющих энергии. В некоторых случаях, дополнительно могут использоваться высокочастотные трансформаторы.

Антенное согласующее устройство с ручной настройкой. В перестраиваемых антенных согласующих устройствах кроме элементов с постоянными параметрами используются переменные устройства - конденсаторы переменной ёмкости, вариометры (переменные индуктивности), регулируемые автотрансформаторы, помимо этого, некоторые участки цепи могут переключаться с помощью высокочастотных переключателей или реле. Оператор производит настройку пользуясь таблицей или учитывая показания приборов. В отличие от не перестраиваемых антенных согласующих устройств перестраиваемые можно использовать в широких диапазонах частот, а также для разных антенн, отличающихся друг от друга характеристиками.

Антенное согласующее устройство на отрезках линий - наиболее простые устройства согласования, применяемые в основном в метровом и дециметровом диапазонах волн представляют собой цепи, являющиеся комбинацией отрезков линий определённых длины и волнового сопротивления. Для преобразования сопротивлений используются разные виды коаксиальных трансформаторов, для устранения реактивной составляющей импеданса - реактивные шлейфы, а для симметрирования - различные симметрирующие устройства, такие, как: U-колено, четвертьволновый стакан, симметрирующий мостик, симметрирующая щель и др.

1.4 Разработка структурной схемы проектируемого устройства

На основании исходных данных к дипломному проекту, а также из обзоров генераторов, остановимся на структурной схеме, изображенной на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Структурная схема синтезатора частоты средневолнового диапазона

Как видно из рисунка в структурную схему включены следующие блоки:

– блок выбора формы сигнала;

– блок подстройки частоты;

– блокизмерения частоты;

– блок питания;

– блок управления;

– фидерное устройство;

– передающая антенна.

Рассмотрим общее назначение каждого из перечисленных блоков, а также основные взаимосвязи между блоками.

Блок выбора формы сигнала позволяет нам выбрать формы сигнала: синусоидальная, прямоугольная, треугольная.

Блок подстройки частоты позволяет подстраивать частоту сигнала.

Блок измерения частоты позволяет измерять частоту на выходе устройства, а так же выводит ее на индикаторы.

Блок питания предназначен для обеспечения питанием проектируемого устройства.

Блок управления является основным блоком рассматриваемого устройства. Он служит для формы и частоты сигнала.

Фидерного устройство - это кабель с согласующим элементами, с помощью которого энергия сигнала подводится от синтезатора частот к антенне.

Передающая антенна излучает электромагнитные волны, а так же обеспечивает наиболее рациональное распределение энергии в пространстве.

У каждого из перечисленных элементов будет свое собственное функциональное назначение, рассматриваемое в последующих разделах.

Более подробно функциональное назначение и схемотехническая реализация перечисленных блоков будет рассматриваться в последующих разделах.

В результате была разработана схема электрическая структурная БрГТУ.110090.009. Э1.

2. Функциональное проектирование

Разработаем электрическую функциональную схему синтезатора частот средневолнового диапазона.

2.1 Блок управления

Основной частью устройства является микросхемаXR-2206. Микросхема представляет собой генератор сигналов специальной формы [5]. Предназначена для работы в качестве генератора, управляемого напряжением (ГУН) различной формы, амплитудного, частотного и фазового модуляторов, а также в качестве составного элемента следящих фильтров, синхронных детекторов низкочастотных систем ФАПЧ. Содержат 163 интегральных элемента. Структурная схема микросхемыXR-2206 изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема микросхемыXR-2206

Электрические параметры микросхемы XR-2206 представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Электрические параметры микросхемы XR-2206

Наименование	Значение
Номинальное напряжение питания	12 В ± 10%
Выходное напряжение ГУН (амплитудное значение) при Uп = 10,8 В	Uп = 10,8 В, f = 10 кГц > 8,5 В
Выходное напряжение ГУН по выводу 11	11,7 В
Ток потребления при Uп = 13,2 В	< 17 мА
Частота генерирования верхняя при Uп = 10,8 В нижняя при Uп = 13,2 В XR-2206	> 0,5 МГц < 0,1 Гц < 400 Гц
Наклон амплитудной характеристики при Uп= = 10,8В	от 37 до 84 мВ/кОм
Фронт выходного импульса	50 нс
Срез выходного импульса	300 нс
Коэффициент гармоник сигнала синусоидальной формы (при условии подстройки формы выходного сигнала по выводам 13, 14 (S1 замкнут) с помощью резистора R9 и по выводам 15 и 16 с помощью резистора R10)	0,7%
Искажения, вызванные нелинейностью модуляционной характеристики в режиме ЧМ модулятора в диапазоне частот 50.300 кГц при девиации ± 10 кГц	< 0,5%
Коэффициент влияния нестабильности источника питания на частоту ГУН	0,05 %
Коэффициент нелинейности сигнала треугольной формы	1,5 %
Кратковременная нестабильность периода выходного сигнала ГУН при Uп = 12 В, измеренная на выводе 11 на частоте 10 кГц на частоте 100 кГц	0,3% 0,1%
Входное сопротивление по выводу 1	100 кОм
Входное сопротивление во выводу 2	1,1 кОм
Температура окружающей среды	от - 25 до +70°С

Предельно допустимые режимы эксплуатации микросхемы XR-2206 представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Предельно допустимые режимы эксплуатации

Наименование	Значение
Напряжение питания предельное значение	от10,8 до 3,2 В от 10 до 15 В
Напряжение входного сигнала на выводе 1 (амплитудное значение)	от 0 до Uп - 3 В
Напряжение входного сигнала на выводе 9 низкого уровня высокого уровня	от 0 до 0,8 В от2 до 5,5 В
Ток нагрузки по выводу 11 (амплитудное значение) предельное значение	< 2 мА < 20 мА
Сопротивление нагрузки по выводу 2	> 1200 Ом
Температура окружающей среды	от - 60 до + 85° С

2.2 Блок подстройки частоты

Подстройка частоты будет осуществляться с помощью двух последовательно включенных подстроечных резисторов. Первый резистор будет осуществлять грубую подстройку частоты, а второй плавную подстройку частоты.

В отличие от постоянных резисторов, сопротивление переменных резисторов можно изменить непосредственно в процессе эксплуатации устройства.

Ручки регулировки обычно выведены на внешние панели. К таким резисторам относятся, например, ручка регулировки громкости плеера, движок эквалайзера и пр. Условное графическое обозначение переменного резистораизображена на рисунке 2.2, а его упрощенная конструкция изображена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.2 - Условное графическое обозначение переменного резистора

Рисунок 2.3 - Конструкция переменного резистора

У переменного резистора три вывода. Выводы 1 и 2 как у обычного резистора, а третий вывод - это вывод подвижного контакта (движка). В зависимости от положения движка, сопротивление между ним и выводами изменяется. При этом номинальным сопротивлением такого резистора считается полное сопротивление резистора, т.е. сопротивление между выводами 1 и 2. Следует заметить, что сумма сопротивлений между выводами 1-3 и 2-3 также равно сопротивлению между выводами 1-2 и равно номинальному. В крайнем верхнем положении сопротивление между выводами 1-3 равно 0, а между выводами 2-3 равно номинальному. В нижнем - наоборот.

Номинальные параметры переменных резисторов обозначаются так же, как и у обычных - тремя знаками.

2.3 Блок измерения частоты

Измерение частоты будет осуществляться при помощи частотомера. Основным элементом частотомера является микроконтроллер. Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Существует несколько семейств таких устройств. В данном дипломном проекте будет использован микроконтроллер семейства AVR. Блок-диаграмма avr-архитектуры изображена на рисунке 2.4 [6].

Рисунок 2.4 - Блок-схема avr-архитектуры

Чтобы максимально улучшить характеристики, в AVR используется гарвардская архитектура - с раздельной памятью и шинами программ и данных. Инструкции в памяти программ выполнены с одноуровневой конвейерной обработкой данных. Пока одна инструкция выполняется следующая инструкция уже предвыбрана из памяти программ. Такая концепция позволяет инструкциям выполняться за каждый такт генератора. Память программ представляет собой встроенную флэш-память с возможностью перепрограммирования. Регистровый файл быстрого доступа содержит 32 8-битных регистра общего назначения с временем доступа за один такт. Это позволяет устройству АЛУ выполнять операции за один такт системной частоты. В типичной операции арифметико-логического устройства, два операнда выводятся от Регистрового файла, операция выполняется, а результат сохраняется обратно в регистровый файл и все это за один такт. Шесть из 32 регистров могут использоваться как три 16-разрядных косвенных регистра указателя адреса для пространства данных позволяющих эффективную адресацию. Один из этих указателей адреса может быть использован как указатель адреса для просмотра таблиц во флэш-памяти программ. Эта функция добавлена 16-битным регистрам X, Y и Z. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) поддерживает арифметические и логические операции между регистрами и между константами и регистрами. Операция с одним регистром так же может быть выполнена в АЛУ. После арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения информации о результате вычисления.

Процесс выполнения программы обеспечивает условный и безусловный переход а также вызов инструкций способных прямо адресоваться по всему адресному пространству. Большинство AVR-инструкций имеют 16-битный формат слова. Каждый адрес памяти программ содержит 16 или 32-битную инструкцию.

Во время выполнения прерываний и вызовов подпрограмм адрес возврата счетчика программ сохраняется в стеке. Стек фактически расположен в пространстве данных оперативно запоминающего устройства (ОЗУ) и следовательно ограничен только размерами местной ОЗУ. Все программы пользователя должны инициализировать (калибровать, определять, устанавливать) SP-указатель стека в подпрограмме обработки сброса контроллера до вызова подпрограмм и выполнения прерываний. Указатель стека доступен для чтения/записи в области ввода/вывода. Данные ОЗУ могут быть легко доступны через пять различных режимов адресации поддерживаемых в AVR архитектуре. Пространство памяти в AVR архитектуре распределено линейно и поделено на различные области использования. Гибко настраиваемый модуль прерываний имеет регистр управления расположенный в области памяти и используется в комбинации с флагом глобального прерывания, расположенном в регистре статуса. Все прерывания имеют собственный вектор прерывания в таблице прерываний. Каждое прерывание имеет приоритет в соответствии с таблицей прерываний. Самый первый по счету вектор прерываний в таблице прерываний, имеющий самый младший адрес, имеет наивысший приоритет. Область памяти ввода/вывода содержит 64 адреса выполняющих функцию регистров управления для периферийных устройств/функций ЦПУ и других функций ввода/вывода. Область памяти ввода/вывода может быть адресована непосредственно или как область данных размещенная последовательно в регистровом файле от адреса 0х20 до 0х5F. Современное состояние информации по этому блоку измерению частоты в частности по микроконтроллеру находится в открытой печати. Программное обеспечение находится на сайте [7]. Поэтому оно не разрабатывалась, а было компилировано и использовано для этих целей.

В результате была разработана схема электрическая функциональная БрГТУ.110090.009 Э2.

3. Схемотехническое проектирование

На стадии схемотехнического проектирования необходимо построить схему электрическую принципиальную блоков, изображённых на структурной схеме, произвести выбор элементной базы. Так же необходимо произвести расчёт параметров схемы, чтобы обеспечить стабильное и согласованное функционирование входящих в состав устройства деталей и узлов.

Многие аппаратурные компоненты выбираются из выпускаемых промышленностью сверхбольших интегральных схем (СБИС) и применяются в качестве крупных строительных блоков предполагаемого устройства. Блочное, или модульное, проектирование резко повышает производительность труда проектировщика, надежность и качество проектируемого устройства.

Современная промышленность выпускает большое разнообразие различных СБИС, которые могут входить в состав проектируемого устройства. Чем более скоростная схема и чем больше функций она выполняет, тем она, как правило, дороже. Современные системы строятся, в основном, по модульному принципу [8]. Это значит, что вся вычислительная система состоит из нескольких блоков или отдельных СБИС, выполняющих свои строго определённые функции и соединённых по определённой топологии. Это позволяет уменьшить стоимость устройства, габаритные размеры системы и мощность потребления.

3.1 Подключение интегральных микросхем

В проектируемом устройстве используются несколько интегральных микросхем. Рассмотрим особенности их подключения для обеспечения работоспособности. Начнем с рассмотрения микроконтроллера attiny2313.

Микроконтроллер attiny2313 - малопотребляющий CMOS 8-битный микроконтроллер, основанный на AVR усовершенствованной RISC-архитектуре. Выполняя мощные команды за один такт ЦПУ, attiny2313 достигает производительности, приближающейся к 1 миллиону команд в секунду на 1МГц и позволяет системному проектировщику оптимизировать потребление мощности в компромиссе со скоростью обработки [9]. Прибор изготовлен, используя технологию Atmel долговременной памяти с высокой плотностью. Встроенная в чип внутрисистемная программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ через SPI- (serialperipheralinterface) последовательный интерфейс или через обычный программатор постоянной памяти. Объединяя 8-битный RISC ЦПУ со встроенной самопрограммируемой флэш-памятью на одной полупроводниковой интегральной схеме контроллер attiny2313 является мощным устройством обеспечивающим высокую гибкость и дешевое решение для многих внедряемых приложений.

Данная микросхема выпускается в DIP корпусе с расположением выводов, изображенных на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Расположение выводов микроконтроллера attiny2313

Описание выводов микросхемы представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Описание выводов

Наименование вывода	Описание
1	2
VCC	Напряжение питания
GND	Земля
Port A (PA2 - PA0)	Порт А это 3-битный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими (нагрузочными) резисторами (выбираемыми для каждого вывода).
Port B (PB7 - PB0)	Порт B это 8-битный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими (нагрузочными) резисторами (выбираемыми для каждого вывода).
Port D (PD6 - PD0)	Порт D это 7-битный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими (нагрузочными) резисторами (выбираемыми для каждого вывода).
RESET	Вывод сброса контроллера.
XTAL1	Этот Вывод является входом Инвертирующего Усилителя и входом для внутренней схемы вырабатывающей тактовый сигал. XTAL1 имеет альтернативную функцию - PA0.
XTAL2	Этот вывод является выходом Инвертирующего Усилителя Генератора. XTAL2 имеет альтернативную функцию - PA1.

Для обеспечения работы рассматриваемого микроконтроллера необходимо подать питание на вывод VCC. Напряжение подаваемого питания может варьироваться от 2,7 В до 5,5 В. Однако, чем выше напряжение питание, тем более стабильная работа микроконтроллера и тем выше быстродействие. Поэтому для питанияattiny2313 будем использовать напряжение 5 В. На выводеGNDдолжно быть выставлено нулевое напряжение (земля).

Для задания тактовой частоты, на которой будет работать микроконтроллер к выводам XTAL1 и XTAL2 будем подключать кварцевый резонатор с частотой 16 МГц. Схема включения указанного кварцевого генератора изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема включения кварцевого генератора

Кроме того для обеспечения работоспособности микроконтроллера attiny2313 на инверсный вывод /RESET должна быть подана логическая единица. Таким образом общая схема подключения микроконтроллера attiny2313, и индикаторов hd-h101 изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема подключения микроконтроллера attiny2313 и индикаторов

Hd-H101

Далее рассмотрим микросхему XR-2206. Данная микросхема выпускается в нескольких вариантах в зависимости от типа корпуса и рабочего диапазона температур окружающей среды [5]. Микросхема XR-2206 содержит 16 выводов. Далее рассмотрим расположение выводов микросхемыXR-2206. Расположение выводов микросхемы XR-2206 в PDIP корпусе, изображена на рисунке 3.4 Назначение выводов микросхемы XR-2206 представлены в таблице 3.2

Рисунок 3.4 - Расположение выводов микросхемы XR-2206в PDIP корпусе

Таблица 3.2 - Назначение выводов микросхемы XR-2206

Номер вывода	Обозначение	Назначение
1	2	3
1	AMSI	Вход сигнала амплитудной модуляции
2	STO	Выход сигнала синусоидальной или треугольной формы
3	MO	Выход перемножителя
4	Vcc	Напряжение питания
5	TC1	Подключение частотозадающего конденсатора
6	TC2	Подключение частотозадающего конденсатора
7	TR1	Подключение частотозадающего резистора
8	TR2	Подключение частотозадающего резистора
9	FSKI	Вход сдвига частоты
10	BIAS	Блокировочный конденсатор
11	SYNCO	Выход сигнала прямоугольной формы
12	GND	Земля
13	WAVEA1	Вход регулировки формы сигнала 1
14	WAVEA2	Вход регулировки формы сигнала 2
15	SYMA1	Вход регулировки симметрии сигнала 1
16	SYMA2	Вход регулировки симметрии сигнала 2

Упрощенная блок-схема микросхемы XR-2206 представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Упрощенная блок-схема микросхемы XR-2206

Микросхема содержит управляемый напряжением генератор импульсов VCO, переключатель тока Current Switches и блок множителей и формирования синусоидального или треугольного напряжения Multiplier And Sine Schaper.

3.2 Обеспечение питания устройства

Для обеспечения работоспособности основных блоков устройства, необходимо наличие источника питания постоянного тока +12В и +5В. Так как питание устройства будет осуществляться от сети переменного тока, то в проектируемом устройстве будут использоваться два стабилизатора напряжения LM7812 и LM7805. Электрические характеристики LM7812 представлены в таблице 3.3 [10].

Таблица 3.3 - Электрические характеристики LM7812

Наименование	Значение
Входное напряжение	от 14 до 27 В
Выходное напряжение	12 В
Выходной ток	1000 мА

Электрические характеристики LM7812 представлены в таблице 3.4 [11].

Таблица 3.4 - Электрические характеристики LM7805

Наименование	Значение
Входное напряжение	от 7,5 до 20 В
Выходное напряжение	5 В
Выходной ток	1000 мА

Схема включения указанных стабилизаторов напряжения показаны рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Схема включения стабилизаторов напряжения

Номинальные значения емкостей конденсаторов следующие:

- электролитический конденсаторC1, 1000 мкФ;

- электролитический конденсаторC2, 22 мкФ;

- электролитический конденсаторC5, 470 мкФ.

В качестве диодов VD1-VD4 в рассматриваемой схеме были использованы диоды DB101.

3.3 Расчет усилителя по постоянному току

Так как микросхема не может обеспечить большую выходную мощность, поэтому нужно усилить сигнал до необходимых значений.

На рисунке 3.7 изображен усилитель по постоянному току.

Рисунок 3.7 - Усилитель по постоянному току

Порядок расчёта будет следующим. Зададим значения параметрам, которые уже известны.

Коэффициенты усиления базового тока для транзисторов возьмем из технической документации:

– для транзистора VT2 коэффициент усиления базового тока будет равен 300;

– для транзистора VT3 коэффициент усиления базового тока будет равен 300.

Напряжение база-эмиттер для транзисторов возьмем из технической документации:

– для транзистора VT2 напряжение база-эмиттер будет равным 0,6В;

– для транзистора VT3 напряжение база-эмиттер будет равным 0,65В.

Транзистор будет работать на большем токе, поэтому и напряжение на базе будет несколько больше.

Следующее условие будет таким: выходное постоянное напряжение должно быть около половины питания и нужно определить уровень постоянной составляющей входного напряжения, поступающего от XR-2206. Считаем, что схема уже существует, номиналы всех элементов определены. Если на выходе схемы половина питания, то есть 6 В, то легко определить ток через резистор R₁₅ по формуле (3.1)

I=U/R, (3.1)

гдеI - сила тока, А; U - напряжение, В; R - сопротивление, Ом.

I_R15 = (0,5·U_п) / R₁₅ = 2,73 · 10^-3А

Ток через резистор R₁₅так же моно определить по формуле (3.2)

I_R15 = I_K3 + I_R14, (3.2)

гдеI_K3 - ток коллектора транзистора VT3, А; I_R14 - ток протекающий через резистор R14, А. Определим ток коллектора по формуле (3.3)

I_K3 = I_Б3 ·в₃, (3.3)

гдеI_Б3 - ток базы транзистора VT3, А;

в₃ - коэффициент усиления транзистора VT3.

Определим ток базы транзистора VT3 по формуле (3.4)

I_Б3 = I_K2 - I_R13 (3.4)

Ток протекающий через резистор R₁₄ является током эмиттера транзистора VT2, который равен току коллектора с погрешностью, равной 1/в что ничтожно мало. Из этого следует, что ток коллектора транзистора VT2 равен току протекающему через резистор R₁₄. Тогда вместо I_K2подставив I_R14 в формулу (3.4) получим формулу (3.5)

I_Б3 = I_R14 - I_R13; (3.5)

Подставив I_Б3 в формулу (3.3) получим формулу (3.6)

I_K3 = (I_R14 - I_R13) ·в₃ (3.6)

Подставив I_K3 в формулу (3.2) получим формулу (3.7)

I_R15 = (I_R14 - I_R13) ·в₃+ I_R14 (3.7)

Преобразуем это выражение относительно I_R14 и получим формулу (3.7)

I_R14= (I_R15 +I_R13·в₃) / (в₃+1) (3.7)

Определим падение напряжения на резисторе R₁₄по формуле (3.8)

U_R14=I_R14·R₁₄ = (I_R15 +I_R13·в₃) ·R_14/ (в₃+1) (3.8)

Теперь с учётом U_бэ2 определим выходное напряжение по формуле (3.9)

U_вых = U_вх - U_бэ2 - (I_R15 +U_бэ3·в₃/ R₁₃) ·R₁₄ / (в₃+1) (3.9)

Где U_вых - выходное напряжение, В;

U_вх - входное напряжение, В.

Подставив все известные значения в формулу (3.9) получим значение выходного напряжения.

U_вых =6 - 0,6 - (2,73·10^-3 + 0,65·300/27·10³) ·27·10^3/300+1 = 4,51 В.

Полная схема электрическая принципиальная представлена на чертеже БрГТУ.110090.009 Э3.

4. Конструкторско-технологическое проектирование

Конструирование является одним из основных видов процесса проектирования и заключается в физическом воплощении принятых схемотехнических решений. Оно представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание современной технологии, схемотехники, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин. От успешного решения задач конструирования зависят такие характеристики, как быстродействие, надежность, объем, вес, технологичность, удобство эксплуатации. Качество разработанной конструкции определяется степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности устройства из-за несоблюдения теплового режима или к значительному снижению быстродействия.

4.1 Разработка конструкции устройства

На этапе конструкторско-технологического проектирования необходимо, согласно заданию, произвести разработку печатной платы, определить материал для изготовления печатной платы, технологию изготовления печатной платы, её размеры.

Конструирование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание современной технологии, схемотехники, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин. От успешного решения задач конструирования зависят такие характеристики, как надежность, объем, вес, технологичность, удобство эксплуатации. Качество разработанной конструкции определяется степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности ЭВМ из-за несоблюдения теплового режима или к значительному снижению быстродействия.

Технология производства является совокупностью производственных процессов и документов для изготовления изделия, а также научное описание способов производства (способы изменения формы, размеров, физических и химических свойств, структуры и состава исходного материала). Также технология производства определяет все ресурсы, затраченные на производство изделия (временные, материальные и др.).

Основными задачами при разработке конструкции являются:

– обеспечение надёжности эксплуатации;

– обеспечение удобства использования;

– обеспечение герметичности и стойкости к агрессивным средам;

– обеспечение широкого температурного диапазона работы.

Таким образом, для обеспечения надёжности, удобства и широкого температурного диапазона необходимо выбрать материал для разрабатываемого устройства. В качестве корпуса для проектированного устройства хорошо подойдёт полый параллелепипед из ПВХ. Наличие корпуса у разрабатываемого устройства обеспечит надёжность эксплуатации, удобство и безопасность в использовании.

4.2 Разработка печатной платы

Исходными данными к разработке топологии печатных плат являются схемы электрические принципиальные, установочные размеры радиоэлементов узла и рекомендации по разработке монтажа для выбранной серии микросхем.

Печатные платы предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания [12].

Печатные платы классифицируются по нескольким параметрам:

– по числу проводящих слоев, одно-, двух - и многослойные;

– по плотности проводников, свободные - ширина проводников и расстояние между ними 0,5 мм, уплотненные 2,5 мм;

– по виду материала основы, органический диэлектрик - текстолит, керамические материалы или на основе металлов;

– по способу изготовления, химическое травление, электрохимическое осаждение;

– по способу нанесения проводников, обработка фольгированных диэлектриков, нанесение тонких токопроводящих слоев.

Многослойные печатные платы МПП обеспечивают существенно большую плотностью размещения печатных проводников, что приводит к уменьшению массы и габаритов готового изделия. То же самое относится и к уплотненным печатным платам.

Широкое распространение получают МПП на керамической основе. По сравнению с органическими диэлектриками керамика позволяет улучшить теплоотвод, повысить плотность компоновки микросхем, особенно с использованием микрокорпусов. Недостатки: большая масса, небольшие наибольшие линейные размеры 150х150 мм.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

При разработке конструкции печатных плат решаются следующие задачи:

– радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи

– схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

– радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи;

– теплотехнические - температурный режим работы печатной платы, теплоотвод;

– конструктивные - размещение элементов на печатной плате, контактирование;

– технологические - выбор метода изготовления, защита.

Все эти задачи взаимосвязаны между собой. Например, от метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики, а от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга и т.д.

Высокая сложность современных схем приводит к необходимости автоматизации задач размещения, трассировки, расчета тепловых режимов, электромагнитного взаимодействия компонентов на печатной плате.

По существу, задача размещения и трассировки сводится к перебору, полному или частичному, возможных вариантов размещения соединяемых элементов и нахождения оптимального. Критерием оптимальности является минимальная сумма длин всех размещаемых на плате печатных проводников, либо более сложные целевые функции.

Разрабатываемая печатная плата не должна иметь очень малые габариты, это определяется стремлением сделать устройство простым в понимании и освоении.

Применяемые детали - элементы в DIP корпусе, что позволило упростить монтаж деталей в домашних условиях. Микросхемы устанавливаются в панели, для быстрого извлечения в случае выхода из строя. Все устройство спроектировано по модульному принципу.

Устанавливаемые элементы имеют достаточно малые геометрические размеры и расстояния между выводами. Печатная плата в разрабатываемом устройстве согласно ГОСТ 23.751-86 имеет второй класс точности.

Второй класс точности изготовления печатных плат имеет следующие характеристики:

– минимальная ширина печатного проводника 0,45 мм;

– минимальное расстояние между краями соседних элементов разрабатываемого рисунка 0,45 мм;