Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ PФ
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматизации производственных процессов
Пояснительная записка
к курсовой работе по курсу
"Системы автоматизированного проектирования"
Тема курсовой работы:
"Разработка аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств на базе современных микроконтроллеров"
Выполнил студент:
группы 94-ОА-61
Половинко С.Л.
Проверила доц. каф. АПП
Нестерова Н.С.
Краснодар 1998 г.
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматизации производственных процессов
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу по дисциплине
“ Системы автоматизированного проектирования “
студенту Половинко С.Л. группы 94-ОА-61
Тема: "Разработка аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств на базе современных микроконтроллеров".
Задание на разработку системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств.
Аппаратно систему автокалибровки и измерения реализовать на базе современного микроконтроллера.
Провести расчет надежность разрабатываемой системы.
Привести структурную схему разрабатываемой системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств (прибор класса Р2-).
Вычертить принципиальную схему измерительной части Р2-.
Абубакиров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей/ Под ред. В.Г. Андрющенко, Б.П. Фатеева. – М.: Радио и связь, 1984. – 248 с.; Измерители амплитудно-частотных характеристик и их применение. П.Адоменас, Я.Аронсон, Е.Бирманас, И.Боерис, Т.Улевичюс – М.: Связь, 1968. – 165 с.; ATMEL 8-Bit Microcontroller with 8K Bytes Flash AT89S8252.
Задание выдано 04.09.1998 Срок сдачи проекта 24.11.1998
Задание принял__________________ студент Половинко С.Л.
/подпись /
Руководитель работы __________________ доцент Нестерова Н.С.
/подпись /
Работа защищена_________________ с оценкой______________________
Комиссия: доцент каф. АПП Нестерова Н.С.
профессор Асмаев М.П.
Решение комиссии утверждаю.
Заведующий кафедрой АПП, профессор Асмаев М.П._____________
Курсовая работа 40 с., 4 рисунка, 4 таблицы, 16 источников, 2 приложения.
детекторная головка, измерительная часть, схема управления, система автокалибровки, микроконтроллер, коэффициент усиления, измерение, диод Шоттки.
Работа выполнена с целью создания аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств (программная часть системы разрабатывается в рамках курсового проекта по курсу “Автоматизированное управление в технических системах”).
Разработанная система позволяет в автоматическом режиме производить измерения мощности входного СВЧ сигнала в широком диапазоне (00,4) мВт с достаточно высокой точностью (погрешность измерений составляет 110-7 Вт).
Измерительная часть системы автокалибровки и измерения, разработанная на основе микроконтроллера ATMEL 89S8252-24QC, конструктивно располагается на печатной плате размером 14,52,8 см. и имеет информационную производительность 2.4103 результатов в секунду.
Разработанная система внедряется на базе НПК АООТ "РИТМ".
Система автокалибровки и измерения применяется в составе измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) Р2-, который в свою очередь входит в состав измерительной системы «Растр».
Годовой экономический эффект от внедрения проектируемой системы измерения комплексных параметров СВЧ устройств (вся система «Растр») составил рублей. Срок окупаемости новой системы ориентировочно 7 дней. (Расчет годового экономического эффекта и срока окупаемости представлен в курсовом проекте по курсу “ Организация, планирование и управление предприятием ”).
Содержание
|
[1] Реферат [2] введение [3] Описание технологического процесса [3.1] Классификация аппаратуры измерения комплексных параметров СВЧ сигнала [3.2] Основные характеристики применяемых измерительных приборов [3.3] Краткое описание процесса измерения [3.4] Экономическое обоснование [4] Требования к разрабатываемой системе и постановка задачи [4.1] Постановка задачи [4.2] Требования к разработке аппаратной части [4.3] Требования к разработке программного обеспечения [5] Техническое задание [5.1] Основание для проектирования [5.1.1] Состав каждого комплекта прибора и требования к конструкции [5.2] Тактико-технические требования [5.2.1] Требования к параметрам и характеристикам измерителей коэффициента передачи и отражения (приборы группы Р2-). [5.2.2] Режимы работы приборов группы Р2-. [5.2.3] Пределы допускаемой основной погрешности измерений [5.2.4] Требования к техническому уровню [5.2.5] Требования к надежности [5.2.6] Требования к технологичности конструкции [5.2.7] Требования к уровню унификации и стандартизации [5.2.8] Эстетические и экономические требования [5.2.9] Условия эксплуатации. [5.2.10] Требования к упаковке и маркировке [6] Разработка аппаратной части измерительной системы Р2- «Растр» [6.1] Выбор структуры измерительной системы Р2- «Растр» [6.2] Обоснование выбора технических средств [6.3] Разработка принципиальной схемы [7] Расчет надежности [8] Заключение [9] Список используемых источников [10] Приложение А – Исходные данные для расчета надежности. [11] Приложение Б – Расчет надежности измерительной части Р2- «Растр». [12] спецификация |
На данном этапе развития техники возникла потребность в более точных и скоростных систем измерения параметров СВЧ сигнала, так как при разработке, производстве, эксплуатации радиоэлектронных устройств необходимо выполнять большое количество измерений, разнообразных по сложности, точности и количеству контролируемых параметров.
Основанием для разработки всей измерительной системы можно считать следующий фактор: в текущий момент на вооружении Российских военных находится большое количество СВЧ устройств и приборов, выполняющих самые различные функции. Все эти приборы, согласно определенным требованиям, требуют периодических метрологических поверок и разнообразных тестирований, необходимых для поддержания в постоянной боевой готовности все современное электронное оборудование. Такого рода измерительно-поверочные системы используемые в настоящее время, в виду быстротечности электронно-технического прогресса, морально и технически сильно устарели, поскольку были разработаны и освоены в производстве не менее 10 лет назад еще до повального экономического спада в нашей стране. Эксплуатация, обслуживание, а тем более воспроизводство таких приборов, с учетом их высокой себестоимости и сложным обслуживанием, превратилось в практически неразрешимую проблему. Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных затрат. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10% . Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.
Вся эта техника требует высококвалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки. Подсчитано, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно равна 15% от стоимости самого прибора. Причем эта величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.
Таким образом, повышение многофункциональности измерительной аппаратуры, а особенно дорогостоящих СВЧ приборов, превратилось не только в техническую, но и актуальную экономическую проблему. Разрабатываемое устройство позволяет резко сократить парк измерительных СВЧ приборов, причем метрологические и эксплуатационные возможности нового прибора значительно расширятся по отношению к заменяемым.
Благодаря стремительному развитию микросхемотехники в настоящее время появилась элементная база для создания приборов, отвечающих современным требованиям по быстродействию и точности измерения параметров СВЧ сигнала.
Основанием для разработки системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств послужили более высокие требования к точности измерений и наложение более жестких ограничений во времени (порядка 400 мкс) по отношению к существующим системам.
Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными параметрами (группа «Р-») разделяется на следующие виды:
Р1- линии измерительные;
Р2- измерители коэффициента стоячей волны (КСВ);
Р3- измерители полных сопротивлений;
Р4- измерители комплексных коэффициентов передач;
Р5- измерители параметров и линий передач;
Р7- измерители добротности.
Приборы группы «Р-» можно разделить на две основные подгруппы: измерители на основе анализа картины стоячей волны и измерителей на основе анализа отношений падающих, прошедших и отраженных от исследуемого объекта сигнала. К первой подгруппе относятся линии измерительные (Р1-) и измерители полных сопротивлений (Р3-). Функциональные возможности обоих видов измерителей одинаковы. Преимуществом приборов Р3-, особенно на сравнительно низких частотах, являются малые габариты.
Усовершенствование измерительной аппаратуры на основе развития методов построения и элементной базы привело к тому, что многие приборы имеют более широкие функции. Например, приборы Р2-, предназначенные для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), измеряют и ослабление (усиление).
В настоящее время на вооружении находится большое количество СВЧ радиоизмерительных приборов, разработанных и освоенных в производстве 8 – 10 лет назад. Среди них наиболее распространены измерители КСВ и ослабления (Р2-71). Для сравнения приведем в некоторые основные технические характеристики приборов: (Р2-71) и разрабатываемого (по ТЗ).
Таблица . - Сравнительные характеристики приборов
|
Основные технические характеристики |
Приборы, находящиеся в применении |
Разрабатываемый прибор |
|
Прибор Р2-72 |
||
|
Диапазон рабочих частот |
12,05 – 17,44 ГГц |
0,01 – 37,5 ГГц |
|
Пределы измерения КСВ |
1,05 - 5,00 |
1,03 – 5,00 |
|
Погрешность измерения КСВ |
5К % |
5К % |
|
Масса |
45 кг |
не более 20 кг |
В настоящее время используются, как уже отмечалось выше, несколько устаревшие средства измерения КСВ. Они представляют собой стационарные, довольно громоздкие устройства с полностью ручным управлением. Для производства одного измерения (измерение в одной точке) необходимо вручную установить на генераторе СВЧ сигнала необходимую входную частоту, произвести настройку на необходимый диапазон измерительного прибора (класса Р2-), считать измеренное значение с устройства индикации прибора, произвести простейшие расчеты и записать полученный результат в бланк записи измерений. Для проведения анализа состояния исследуемого СВЧ прибора, которым, к примеру, может служить антенна радиолокационной станции, необходимо произвести измерения в нескольких точках при различных значениях входных частот. Обычно этих точек от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот. Очевидно, что подобный способ измерений морально устарел и занимает к тому же очень много времени (к примеру, для снятия одной характеристики из 600 точек высоко квалифицированному оператору необходимо около 10 часов). Упрощенная схема вышеописанной измерительной системы приведена на рисунке 1.1.
Процесс измерений на разрабатываемой системе максимально упрощается, по сравнению с вышеописанным. Не считая подготовительных операций (подключение прибора к сети и к объекту исследования), весь процесс настройки (автокалибровки) системы и, собственно, измерения происходит в автоматическом режиме под управлением оператора ЭВМ, то есть весь процесс настройки (калибровки) системы и сам процесс измерения происходят под централизованным контролем управляющего компьютера, который представляет собой не какое-либо специализированное оборудование, а самый обыкновенный ПК на базе Pentium процессора с поддержкой шины USB. Упрощенная структурная схема всей разрабатываемой системы приведена на рисунке 1.2.
Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных средств. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10% . Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.
В то же время вся эта техника требует квалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки.
Известно, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно ровна 15% от стоимости самого прибора. Ее величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.
Произведем расчет одного из возможных вариантов получения экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы измерения параметров СВЧ сигнала
Для полноценного анализа поведения СВЧ объекта во всем диапазоне изменения частот необходимо провести измерения в определенном количестве точек (от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот), затем анализ измеренных результатов и представление их в виде графика. В зависимости от исследуемых параметров СВЧ сигнала (амплитуды, частоты, коэффициента стоячей волны (КСВ), фазы, коэффициента передачи и коэффициента отражения) измерения производятся на приборах класса Р2- или Р4-, но для простоты будем считать что время одного измерения на обоих приборах одинаково.
Для производства одного измерения на существующем оборудовании высоко квалифицированному оператору необходимо затратить около одной минуты с учетом производства простейших расчетов, занесения результата в бланк записи измерений и установки следующей входной частоты вручную. Для построения окончательной характеристики СВЧ объекта (измерение в 600 точках) ему необходимо:
600 точек 1 мин. = 600 мин или 10 час.
Предположим, что заработная плата такого специалиста составляет 1500 руб. в месяц, тогда при 255 рабочих днях в году будет произведено (если предположить, что все 8 часов в день оператор производит измерения):
255 дней 8 час/день 60 мин/час = 122400 мин
в данном случае равное числу измерений или будет построено:
122400 измерений / 600 точек = 204 характеристики;
на что будет затрачено:
1500 руб. 12 мес. = 18000 руб.
Разрабатываемая система измерений в течении одной секунды автоматически производит измерение в 600 точках и строит на экране ЭВМ необходимую характеристику. Если предположить что зарплата специалиста, работающего на новом оборудовании, будет прежней (1500 руб.), хотя квалификация его может быть ниже, чем в первом случае, то при тех же затратах в год (18000 руб.) будет построено:
255 дней 8 час/день 3600 сек/час = 7344000 характеристик
или произведены измерения в:
7344000 характеристик 600 точек = 4406400000 точках,
что в 4406400000 / 122400 = 36000 раз больше, чем в первом варианте.
Для большей наглядности с экономической точки зрения проведем подобный расчет относительно затраченных средств, то есть подсчитаем сколько потребуется времени новой системе для производства такого же числа измерений, что и старой системе за год.
204 характеристики / 1 сек = 204 секунды
Зарплата специалиста за этот промежуток времени составит:
1500 руб/мес / 22 дня/мес / 8 час/день / 3600 сек/час 204 сек = 0,48 руб.
Таким образом, повышение многофункциональности измерительной аппаратуры, а особенно дорогостоящих СВЧ приборов, превратилось не только в техническую, но и актуальную экономическую проблему.
Окончательно можно отметить, что применение нового вида приборов приведет к:
Устройство должно принимать от датчика СВЧ сигнала постоянное напряжение от 5 мкВ до 3,6 В, усиливать его усилителем постоянного тока с коммутируемым коэффициентом усиления (1/4,1,4,16,64,256) и подавать на АЦП. Результат измерения АЦП передается в микроконтроллер, усредняется за 1,2,4,8 измерений, корректируется по специальной функции и предается через последовательный канал связи (SPI) для дальнейшей обработки в управляющий компьютер.
Устройство может работать как в режиме измерения, при этом должна обеспечиваться информационная производительность 2.4103 результатов в секунду, так и в режиме калибровки: определение специальной корректирующей функции.
Точность измерения (в верхней части измеряемых значений) составляет 0,1 %.
Разработать схему устройства, выполняющего перечисленные функции на микроконтроллере ATMEL 89S8252-24QC.
Работа завершается предоставлением электрической схемы, сборочного чертежа и топологии печатного монтажа.
Разработать программу для микроконтроллера, обеспечивающую выполнение перечисленных функций. Результат представить в виде отлаженных текстов программ, протоколов измерения характеристик устройства в целом.
Разработка выполняется в соответствии с планом НИОКР по разработке СИ ВН на 1995 год. Начало и окончание ОКР устанавливается в соответствии с условиями договора. Цель работы – разработка нового поколения средств измерения для измерения комплексных параметров коэффициентов передачи и отражения Р4-, измерителей коэффициентов передачи и отражения Р2-, измерителей характеристик шума Х5-.
Состав комплекта каждого прибора приведен в
.
Таблица . - Состав комплектов приборов
|
Наименование |
Кол. |
Назначение |
|
1 Блок генераторный двух канальный |
1 |
Генерирование сигналов СВЧ с заданными параметрами |
|
2 Блок индикации и обработки |
1 |
Управление генераторным блоком, измерение и индикации параметров |
|
3 Сменные СВЧ модули |
5 |
Обеспечение измерения модуля коэффициентов передачи и отражения, комплексных коэффициентов передачи и отражения, характеристик шума |
|
4 Блок питания |
1 |
Обеспечение энергопитания прибора |
|
5 Внешние СВЧ узлы |
2 |
Обеспечение решения измерительной задачи Р2-, Р4-, Х5- |
|
6 Комплект ЗИП |
1 |
Обеспечение технического ресурса, поверки и ремонта |
|
7 Комплект эксплуатационной документации |
1 |
Обеспечение эксплуатации приборов |
|
8 Укладочный ящик |
3 |
Табельная упаковка |
Примечание – Состав комплекта прибора, комплекта ЗИП и комплекта эксплуатационной документации уточняется на этапе технического проекта.
При конструировании прибора должны выполняться требования ГОСТ В 20.39.308-76, а также других, действующих в отрасли, стандартов и нормативно-технических документов по стандартизации (НИД ПС).
Основные размеры и конструктивное выполнение прибора должны соответствовать требованиям ОСТ 4.270.000-83 и ОСТ В 4.410.020-83, а также других действующих в отрасли НТД ПС в части базовых конструкций (при возможности их использования), шрифтов, символов и сокращений терминов.
Основные размеры элементов присоединения прибора должны соответствовать требованиям ГОСТ 13317-89.
Конструкция прибора должна обеспечивать удобный доступ к элементам и составным частям, требующим регулировки и смены их в процессе эксплуатации, а также возможность замены сменных элементов и составных частей. Конструкция составных частей прибора должна обеспечивать индивидуальную замену комплектующих элементов при ремонте.
Материалы и полуфабрикаты, комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.
Выбор комплектующих изделий должен производиться из перечней, утвержденных Заказчиком и разрешенных для применения при разработке и модернизации аппаратуры народнохозяйственного назначения.
Масса прибора не должна превышать 20 кг (уточняется на стадии технического проекта).
Мощность, потребляемая прибором от сети питания, при номинальном напряжении не должна превышать 120 ВА (уточняется на стадии технического проекта).
Конструкция прибора должна обеспечивать возможность автоматизации контрольных операций, а также автоматизацию сборочно-монтажных работ.
Основные составные части прибора должны быть выполнены в виде функциональных узлов и блоков, в разъемном варианте конструктивного выполнения.
В приборе должны использоваться изделия микроэлектроники частного применения, разработанные в процессе проведения настоящего ОКР.
В конструкциях составных частей сменных печатных узлов, блоков должны быть предусмотрены приспособления, обеспечивающие их фиксацию в положении, удобном для осмотра, проверки и замены элементов при ремонте.
Все составные части прибора, контрольные точки, разъемы, выводы на печатных платах должны быть ясно и четко промаркированы (с учетом ограничений раздела 12 ГОСТ 20.39.308-76) и должна быть обеспечена возможность визуального контроля маркировки.
Диапазон частот комплекта приборов должен быть от 0,01 до 37,5 ГГц. Весь диапазон должен перекрываться пятью приборами с предполагаемой разбивкой по поддиапазонам: (0,01-2,0) ГГц; (2,0-8,3) ГГц; (8,15-18,0) ГГц; (17,44-25,95) ГГц и (25,95-37,5) ГГц.
а) измерение модуля коэффициентов передачи четырехполюсников;
б) измерение КСВН четырехполюсников.
Пределы измерения:
а) КСВН – 1,05 – 5,0
1,03 – 5,0 для тракта 7/3 мм в диапазоне частот (0,01 – 8,3) ГГц;
б) модуля коэффициента передачи (0–50) дБ в диапазоне частот (0,01–18) ГГц и (0-40) дБ в диапазоне частот (17,44-37,5) ГГц.
Основная погрешность отсчета и установки частоты не более Fуст10-7.
Приборы должны обеспечивать панорамный режим работы при длительности периода качания, обеспечивающей оператору нормальную работу при проведении регулировочных работ (параметры режима уточняются на этапе ТП).
Параметры, входящие в состав приборов блоков генераторных должны обеспечивать параметры приборов в целом.
Приборы должны содержать панорамный индикатор, размером не менее 140 х 160 мм.
1) КСВН 5 К% для 2< КстU<5, 3 К% для 1,05< КстU<2 диапазоне частот до 2 ГГц;
2) КСВН ( 5 К+1)% для 2< КстU<5, (3 К+1)% для 1,05< КстU<2 в диапазоне частот до 8 ГГц. Погрешность выше 8 ГГц устанавливается по результатам первого этапа.
Приборы должны иметь производственно – эксплуатационный запас не менее 20% по основной погрешности установки частоты. Приборы должны сохранять свои технические характеристики в пределах норм при питании их от сети переменного тока напряжением (22022) В, частотой (501,0) Гц и содержанием гармоник не более 5%. Приборы должны допускать непрерывную работу в течение времени не менее 16 ч при сохранении электрических параметров и характеристик в пределах норм, заданных в ТТЗ. Время установления режима с момента включения должно быть для приборов всех поддиапазонов не более 30 мин во всем рабочем диапазоне температур (уточняется на стадии технического проекта). Уровень СВЧ излучений не должен быть более 10-3 Вт/м на расстоянии 1 м от прибора.
Прибор должен иметь комплексные показатели технического уровня, сопоставимые с аналогичными показателями зарубежных аналогов того же класса и стоимости.
Средняя наработка на отказ (То) прибора должна быть не менее 10 000ч.
Среднее время восстановления работоспособного состояния блоков (Тв) должно быть не более 1 ч.
Гамма – процентный ресурс приборов (Т) должен быть не менее 10 000 ч при доверительной вероятности (), равной 90 %.
Гамма – процентный ресурс службы приборов (Тсл) должен быть не менее 15 лет при доверительной вероятности (), равной 90 %.
Гамма – процентный срок сохраняемости приборов (Тсх) должен быть не менее 12 лет для отапливаемых хранилищ и 6 лет для не отапливаемых хранилищ при доверительной вероятности (), равной 90 %.
Вероятность отсутствия скрытых отказов приборов комплекта (P(t)) за межпроверочный интервал (t), равный 24 мес. при среднем коэффициенте использования (Ки), равном 0,17 должна быть не менее 0,90.
Количественные значения показателей надежности устанавливаются в соответствии с РД 4.4110.05-93 и, при необходимости, уточняют на стадии технического проекта, а оценку соответствия заданным требованиям проводят в соответствии с РД 4.4110.04-93 и РД 4.4110.02-93.
В эксплуатационных документах должны быть указаны критерии придельного состояния приборов.
Приборы по технологичности конструкции и использованию унификации и типового оборудования должны отвечать требованиям типовых технологических процессов и обеспечивать достижение заданных показателей надежности при минимальных затратах на их изготовление, техническое обслуживание и ремонт.
Требования к уровню унификации и стандартизации должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76.
Показатели уровня унификации и стандартизации должны быть порядка:
коэффициент применяемости Кпр = 50 %,
коэффициент повторяемости Кп = 50 %.
Указанные коэффициенты уточняются расчетным путем на стадиях технического проекта и разработки рабочей документации опытного образца в соответствии с ГОСТ В 15.207-79 и ОСТ В 4.090.041-82.
Требования по технической эстетики и экономике должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76, ОСТ 4.270.000-83, а также требованиям СТП УШЯИ.000.053-89.
По устойчивости к климатическим воздействиям приборы должны соответствовать требованиям группы 1.1 УХЛ по ГОСТ В 20.39.304-76 со значениями рабочих температур от плюс 5С до плюс 40С, по прочности механическим воздействиям – требования группы 1.6 по ГОСТ В 20.39.304-76.
Упаковка должны соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76.
Вид упаковки и ее обозначения должны соответствовать требованиям ОСТ 4.070.011-78.
Маркировка на таре должна соответствовать требованиям ГОСТ 14.192-77.
Маркировка приборов должна соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76 и НТД, согласованной с Заказчиком.
Для измерения коэффициента передачи и отражения необходимо, как это видно из упрощенной структурной схемы, рисунок 1.2 анализировать три сигнала: исходный, прошедший через объект и отраженный. Для анализа СВЧ сигнала используют СВЧ детекторную головку. Главным достоинством детекторной головки, по отношению к другим СВЧ измерителям АЧХ можно считать малую зависимость выходного напряжения детекторной головки от частоты входного напряжения во всем диапазоне рабочих частот. Главным недостатком детекторной головки является нелинейность амплитудной характеристики. Однако с достаточной для практики точностью всю амплитудную характеристику можно разбить на два участка: линейный, до какого-то порового значения входной мощности и нелинейный (квадратичный) остальная часть характеристики.
Анализ любого из трех сигналов исходного, прошедшего и отраженного абсолютно идентичен. Поэтому в измерительной части Р2- «Растр» целесообразно применить три однотипные схемы измерения уровня детектированного сигнала, которые на структурной схеме измерительной части Р2- «Растр» (рисунок 4.1) показаны как «детекторная головка 1», «детекторная головка 2» и «измерительный мост».
Основным элементом в системе управления измерительной части Р2- «Растр» является микроконтроллер, на который возлагаются все управляющие и анализирующие функции автоматизированной системы. В обязанности микроконтроллера (МК) входит:
На измерительный модуль Р2- накладываются, как уже отмечалось выше, кроме требований к точности производимых измерений еще и временные ограничения (400 мкс на производство одного измерения), поэтому чтобы справляться с вышеуказанными обязанностями в ограниченный промежуток времени необходим достаточно быстродействующий микроконтроллер. Для обеспечения необходимой скорости обмена необходимо наличие быстродействующих портов ввода-вывода, а учитывая то, что информация будет передаваться за пределы конструктивного расположения МК этот порт ввода-вывода должен быть последовательным, так как он более помехоустойчив. МК должен иметь достаточно внутренней памяти программ для размещения в ней программы реализующей вышеперечисленные функции, внутренней памяти данных для размещения в ней таблиц перекодировок и таблицы соответствия измеренного напряжения входной мощности (объемом 2 кбайта) и внутренней ОЗУ для выполнения промежуточных расчетов. И наконец, МК должен иметь соответствующий размер корпуса для размещения на печатной плате ограниченных размеров. У МК должна быть реальная цена.
Среди наиболее крупных производителей МК 51-ой серии, а именно эта серия функционально наиболее подходит для реализации вышеперечисленных функций, так как МК этой серии представляют собой полностью самостоятельные и функционально законченные МК, можно выделить таких производителей как Intel, Siemens, Atmel и некоторых других.
МК выпускаемые фирмой Intel серии 80C251SB(SQ), 83C251SA(SB,SP,SQ), 87C251SA(SB,SP,SQ) представляют собой довольно мощные МК с огромными возможностями расширения внешней памяти (до 1 Мбайта), с четырьмя 8 битными портами ввода-вывода и так далее, но они имеют и существенные недостатки: ни в одном из перечисленных МК нет одновременно ПЗУ и ППЗУ (а это, как отмечалось выше, необходимо); частота работы этих МК 16 МГц, недостаточна для решения поставленной выше задачи.
Фирма Atmel выпускает МК AT89 8XC51 серии среди которых можно выделить МК AT89S8252-24QC, наиболее удовлетворяющий всем предъявляемым требованиям.
Некоторые технические характеристики этого МК приведены ниже:
Структурная схема МК AT89S8252-24QC представлена на рисунке 4.2.
Вторым по значимости элементом схемы можно считать АЦП, в качестве которого выбран 12 битный АЦП AD7893-AR2 фирмы Analog Devices. Главным достоинством которого можно считать высокую скорость преобразования (порядка 6 мкс) и поддержку последовательного интерфейса.
Детекторная головка выбрана фирмы Hewlett Packard. HSCH-5336 серии HSCH-5300 – диоды Шоттки для детекторов с рабочей частотой детектирования (1 – 26) ГГц.
Принципиальная схема аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств (измерительная часть) представлена в графической части (черт. КАПП 000 000 001 ГЧ).
Конструктивно вся принципиальная электрическая схема и, соответственно, печатная плата разделяются на две части: собственно детекторная головка, которая будет располагаться непосредственно на СВЧ щупе и схема измерительной части.
Входной СВЧ сигнал поступает в измерительную часть через согласованную нагрузку R1=50 Ом и проходной конденсатор С3=10 нФ. Затем детектируется диодами Шоттки HSCH-5336 (V1), предусматривающие сопротивление нагрузки R3=100 кОм. Делитель R4, R2 обеспечивает постоянное смешение напряжения измеряемого сигнала Uсм200 мкВ для повышения точности измерения малых сигналов. Конденсатор С10 выделяет постоянную составляющую измеряемого сигнала и полученный сигнал поступает на усилитель мощности (D3, D4, D9, D10) с управляемым коэффициентом усиления. Схема установки необходимого коэффициента усиления входного сигнала состоит из двух операционных усилителей OP177GS (на схеме D3 и D10) и двух демультиплексоров MC14052BD (D4 и D9). В зависимости от поступающего из МК (D8) кода демультиплексорами коммутируется соответствующее сопротивление в обратной связи ОУ, что позволяет устанавливать коэффициенты приведенные в
.
Таблица 4. - Таблица кодов управления усилителем мощности.
|
Коэф. усиления Ку |
Вывод порта Р1.3 |
Вывод порта Р1.3 |
Вывод порта Р1.3 |
Вывод порта Р1.3 |
Код (hex) |
|
¼ |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
4 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
16 |
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
|
64 |
1 |
0 |
1 |
0 |
А |
|
256 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Е |
Коэффициент выбирается из такого расчета, чтобы полученное в результате усиления или ослабления измеряемого сигнала, напряжения на входе АЦП AD7893AR-2 (D6) находилось в интервале от Uоп/4 до Uоп, для обеспечения максимальной точности преобразования.
После этого измеряемый сигнал поступает на вход Vin АЦП (D6), который по команде МК CONV=0 измеряет его сигнал и передает по последовательному каналу SDATA в МК.
Микросхема AD680AR (D5) необходима для формирования опорного напряжения (Uоп = +2,5 В) для АЦП.
Микросхема MAX810M (D7) служит для предохранения от сбоев во время работы МК в моменты включения и выключения питания схемы и работает следующим образом: при понижении входного напряжения питания от (+5 +6) В до +4,5 В формируется сигнал RST, который приводит к сбросу (переинициализации) МК, что предотвращает возможность случайной записи в ППЗУ или каких-либо других нежелательных действий.
Микросхема MC74AC00D (D11) лог. 4 И НЕ необходима для инверсии и усиления соответствующих сигналов.
Микросхемы HCPL-2611 (D12 – D13) служат для гальванической развязки приведенной схемы со схемой сопряжения.
Электрическое питание схемы осуществляется от источника стабилизированного напряжения +5 В. При помощи микросхем ADM660AR (D1 – D2) получают напряжение электропитания –5 В и +10 В необходимые для измерительного канала. Для электрической развязки электропитания измерительного канала (+10VA,-5VA), схемы преобразования (+5VC), цифровых части (+5VD) использованы LC фильтры 2-го порядка.
С целью обеспечения заданных в техническом задании показателей надежности измерителя коэффициента передачи и отражения Р2- «Растр» составлена программа обеспечения надежности (ПОН), которая выполнена.
В соответствии с ПОН был проведен расчет количественных показателей надежности. Расчет выполнен в соответствии с РД4.4110.04-93, и представлен в приложении Б. Все необходимые надежностные показатели, сведенные в общую таблицу, представленную в приложении А, выбирались из расчета рабочей температуры внутри прибора tраб = 50 С и соответствия группе 1.1 УХЛ по климатическим воздействиям.
Результаты расчета приведены в
.
Таблица . - Результаты расчета надежности.
|
Показатели надежности |
По ТЗ |
Расчетная величина |
|
Наработка на отказ (Тор), ч |
не менее 10 000 |
288 632 |
|
Гамма – процентный ресурс (Тр), ч |
не менее 10 000 при = 90 % |
10 000 при = 90 % |
|
Гамма – процентный срок службы (Тсл), лет |
не менее 15 при = 90 % |
16 при = 90 % |
|
Гамма – процентный срок сохраняемости (Тс), лет |
не менее 12 (от.) 6 (неот.) при = 90 % |
16 (от.) 10 (неот.) |
|
Среднее время ремонта (Твр), мин |
не более 60 |
70 |
|
Вероятность отсутствия скрытых отказов (Р) |
не менее 0,9 при = 24 мес. при Ки = 0,17 |
не менее 0,999 при = 24 мес. при Ки = 0,17 |
Заданные в ТЗ показатели надежности выполнены, за исключением среднего времени ремонта, которое превышает заданное на 16,7 % (10 мин.). Значения показателей надежности соответствуют нормам, установленным действующей НТД.
Комплектующие изделия и материалы используемые для расчета надежностных показателей являются (где это возможно) отечественными аналогами устанавливаемых в измерительной части Р2- комплектующих элементов. Устанавливаемые в приборе ЭРЭ иностранного производства имеют не худшие надежностные характеристики по сравнению с используемыми в расчетах.
Анализ и оценка рассмотренных материалов по обеспечению надежности разрабатываемой измерительной части Р2- «Растр» показали, что требования ПОН на стадии разработки опытных образцов – выполнены.
В данной работе была обоснована целесообразность проведения разработки системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств на базе микроконтроллера ATMEL 89S8252-24QC.
В результате выполнения работы была разработана измерительная часть системы автокалибровки и измерения, которая согласно техническому заданию:
Представлена принципиальная схема и топология платы печатного монтажа. Рассчитана надежность измерительной части. Разработанная система внедряется на базе НПК АООТ "РИТМ". Система автокалибровки и измерения применяется в составе измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) Р2-, который в свою очередь входит в состав измерительной системы «Растр».
Таблица П. - Исходные данные для расчета надежности измерительной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств.
|
Позиционное обозначение |
Наименование и тип ЭТИ |
Кол-во, N, шт. |
Интенсивность отказов при номинальной нагрузке, 0106 1/ч |
Коэффициент электрической нагрузки, Кн |
Поправочный коэффициент, зависящий от Кн, Кр |
Поправочный коэф., зависящий от гр. экспл., Кэ |
Суммарная интенсивность отказов, N0 |
Ресурс ЭРИ при =90%, ч |
Интенсивность отказов ЭРИ при хранении, 108 1/ч |
Суммарная интенсивность отказов при хранении, N |
Сохранение ЭРИ при =90%, лет |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Измерительная часть прибора группы Р2- «Растр» |
|||||||||||
|
А1 |
Детекторная головка |
||||||||||
|
А2 |
Управление ДГ |
||||||||||
|
А1 |
Детекторная головка |
||||||||||
|
C3 |
К10-17В |
1 |
0,008 |
0,4 |
0,22 |
1 |
80000 |
0,01 |
25 |
||
|
R1 |
С2-23 |
1 |
0,04 |
0,4 |
0,62 |
1 |
50000 |
0,0036 |
25 |
||
|
V1 |
HSCH-5336 |
1 |
0,3 |
0,7 |
0,38 |
1 |
25000 |
0,14 |
15 |
||
|
А2 |
Управление ДГ |
||||||||||
|
Конденсаторы |
|||||||||||
|
C1,C2, C4-C9, C11,C12 |
Танталовые К52-1Б |
10 |
0,125 |
0,4 |
0,2 |
1 |
10000 |
0,026 |
15 |
||
|
C10, С13-C19 |
Металлокерамические К10-17В |
8 |
0,008 |
0,4 |
0,22 |
1 |
80000 |
0,01 |
25 |
Продолжение таблицы П. - Исходные данные для расчета надежности измерительной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств.
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Резисторы |
|||||||||||
|
R2-R28 |
С2-23 |
27 |
0,04 |
0,4 |
0,62 |
1 |
50000 |
0,0036 |
25 |
||
|
Дросселя |
|||||||||||
|
L1-L6 |
ДПМ 0,6-10 |
6 |
0,0016 |
0,4 |
0,47 |
1 |
20000 |
0,05 |
15 |
||
|
Микросхемы аналоговые |
|||||||||||
|
D1,D2 |
Преобразователь питания ADM660AR |
2 |
0,023 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
D3,D10 |
Операционный усилитель OP177GS (140УД17) |
2 |
0,023 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
D5 |
Источник опорного напряжения AD680AR |
1 |
0,023 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
D6 |
АЦП AD7893AR-2 (1118ПВ1) |
1 |
0,023 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
D12,D13 |
Оптрон HCPL-2611 (АОТ101АС) |
2 |
0,13 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
D7 |
Устройство сброса МК MAX810M |
1 |
0,023 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,076 |
20 |
||
|
Микросхемы цифровые |
|||||||||||
|
D4,D9 |
Демультиплексор MC14052BD (1561КП1) |
2 |
0,017 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,02 |
20 |
||
|
D8 |
Микроконтроллер AT89S8252 (К1816ВЕ51) |
1 |
0,017 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,02 |
20 |
||
|
D11 |
Логика MC74AC00D (К1554ЛА3) |
1 |
0,017 |
- |
- |
1 |
25000 |
0,02 |
20 |
|
Обозначение |
Наименование |
Кол-во |
Примечание |
|
Конденсаторы |
|||
|
C1,C2, C4-C9, C11,C12 |
К52-1Б |
10 |
Танталовые |
|
C3, C10, С13-C19 |
К10-17В |
9 |
Металлокерамические |
|
Диоды |
|||
|
V1 |
HSCH-5336 |
1 |
|
|
Резисторы |
|||
|
R1-R28 |
С2-23 |
28 |
|
|
Дросселя |
|||
|
L1-L6 |
ДПМ 0,6-10 |
6 |
|
|
Микросхемы аналоговые |
|||
|
D1,D2 |
ADM660AR |
2 |
Преобразователь питания |
|
D3,D10 |
OP177GS |
2 |
Операционный усилитель. Аналог 140УД17 |
|
D5 |
AD680AR |
1 |
Источник опорного напряжения АЦП |
|
D6 |
AD7893AR-2 |
1 |
АЦП. Аналог 1118ПВ1 |
|
D7 |
MAX810M |
1 |
Устройство сброса МК |
|
D12,D13 |
HCPL-2611 |
2 |
Оптрон. Аналог АОТ101АС |
|
Микросхемы цифровые |
|||
|
D4,D9 |
MC14052BD |
2 |
Демультиплексор. Аналог 1561КП1 |
|
D8 |
AT89S8252 |
1 |
Микроконтроллер. Аналог К1816ВЕ51 |
|
D11 |
MC74AC00D |
1 |
Логика. Аналог К1554ЛА3 |
Рисунок .2 - Упрощенная структурная схема всей разрабатываемой системы
Отраженный сигнал
Прошедший сигнал
Рисунок .1 – Структурная схема системы измерения, стоящей на вооружении
Запись в бланк
Прошедший сигнал
Исходный сигнал
Отраженный сигнал
Вх. СВЧ
Измерительный прибор
Объект
Генератор СВЧ сигнала
Рисунок 4.2 – Структурная схема МК AT89S8252-24QC
Рисунок 4.2 – Структурная схема МК AT89S8252-24QC
Исходный сигнал
Отраженный сигнал
Прошедший сигнал
Вход СВЧ сигнала
Объект
Рисунок 4.1- Структурная схема измерительной части Р2- «Растр»
USB
Модуль
обработки массивов
информации (ОМИ)
Измерительный мост
МК
АЦП
УПТ
X
Детекторная головка 2
МК
АЦП
УПТ
Детекторная головка 1
МК
АЦП
УПТ
Рсвч
Модуль Р4-
Модуль Р2-
Модуль Х5-
Ш
и
н
а
U
S
B
Управление СВЧ синтезатором
Сменные СВЧ модули
Вх. СВЧ
Объект исследования
Шина USB
Управляющий
компьютер
Синтезатор СВЧ
сигнала