Высокочастотный коммутатор

ВВЕДЕНИЕ

Представленный в данной работе «Высокочастотный коммутатор» относится к группе антенно-фидерных устройств средств радиовещания и радиосвязи.

Антенно-фидерные устройства средств радиосвязи и радиовещания наибо-лее многочисленная и разнообразная часть всего существующего парка ан-тенно-фидерных устройств (АФУ). Массовость этих АФУ обусловливается тем, что с их помощью обеспечивается работа подавляющей части всех ра-диосредств на земле, под землей, на воде, под водой, в воздушном и косми-ческом пространствах, а раз-нообразность диапазонами частот и областями применения как в случае стацио-нарных, так и подвижных объектов, в том числе и находящихся в движении.

Антенно-фидерные устройства определяют энергетический потенциал радио-средств, формирование каналов связи и их число, электромагнитную совмес-тимость, помехозащищенность радиосредств, обслуживание тра-фика по времени, месту, диапазону частот и позволяют реализовать маршрутизацию сообщений в соот-ветствии с построением радиолиний и радиосетей.

В настоящее время произошел заметный поворот от повышения эффективно-сти добычи материалов и энергии, что было характерно для прошлых веков вплоть до середины XX века, к повышению эффективности умственного труда за счет роста и широкого обмена информацией, повсеместного приме-нения вычислительной тех-ники и, как следствие, использования различных существующих и вновь разрабаты-ваемых средств и систем связи.

Общая сумма человеческих знаний с начала 80-х годов прошлого века стала возрастать вдвое за каждые два года. Ныне объем знаний таков, что для по-иска и выбора необходимых данных для принятия решения нужны специаль-ные учрежде-ния, оснащенные системами автоматизированного поиска, оптимизированного выбо-ра информации и многоканальными линиями связи.

Достижения экономики в настоящее время в значительной степени определя-ются не столько естественными ресурсами, сколько объемом новых знаний и опера-тивностью их внедрения в практику. Совокупность знаний и оператив-ность их реа-лизации, что невозможно без развитой системы связи, стано-вится стратегическим ресурсом общества в целом, во многом обусловли-вающим способность страны к успешному росту и укреплению ее могуще-ства.

Успех боевых действий любого масштаба в современных условиях предопре-деляется искусством и мастерством информационной борьбы, имеющей це-лью за-воевание и удержание информационного превосходства над противни-ком. Если ра-нее боевой потенциал войск наращивался главным образом за счет мощи вооруже-ния, то ныне при ее практической неограниченности этот потенциал в значительной мере определяется качеством информационного обеспечения органов управления, сохранением устойчивой и без искажения работы своих и нарушением работы средств и систем связи противника, чему свидетельством являются локальные войны нашего времени

Ключевую роль в реализации этих тенденций и факторов в области связи иг-рают антенно-фидерные устройства. Выполняя, как и ранее, роль элементов радио-линии, радиосети, АФУ за счет такого нового качества, как адаптация, становятся элементами системы связи, определяющими ее основные характеристики и сущест-венно влияющими на ее построение и функционирование.

В начале 21 века в развитии антенно-фидерной техники радиосвязи наметились в основном три направления:

v Совершенствование и разработка традиционных антенно-фидерных устройств;

v Исследование и разработка антенно-фидерных комплексов, на которые вместе с функциями приема и излучения возлагаются смежные для антенной техники функ-ции: управление ориентацией диаграмм направленности антенн, сопровождение абонентов при их движении в течение всего сеанса связи с помощью электро-механических опорно-поворотных устройств, в том числе в условиях неравномер-ного движения транспортных средств;

v Исследование и создание антенно-фидерных систем, осуществляющих слож-ную обработку принимаемых и излучаемых сигналов, основывающуюся на совме-стном функционировании антенн, систем управления, приеме и передаче сигналов, управление энергетическим потенциалом радиолинии, радиосети, коммутацию лу-чей и информационных потоков, образование контурных диаграмм направленности и управление ими, что в целом дает возможность управлять системой радиосвязи и ее функционированием со стороны информации, проходящей по ее каналам, за счет включения в состав передаваемого сообщения элементов, управляющих диаграм-мой направленности антенны по времени, пространству и форме без искажения ос-новной передаваемой информации, решать задачи помехозащиты и разведзащиты, в том числе реализацию сигнальной системы "свой-чужой", т. е. автоматического пре-кращения связи при неверном ответе на кодовый запрос этой системы в момент ус-тановления связи и через соответствующие промежутки времени, определенные ал-горитмом сеанса связи с данным корреспондентом (корреспондентами).

Из всего выше перечисленного, можно сделать вывод, что выбранная тема курсового проекта является весьма актуальной в настоящие время и заслуживает пристального внимания.

1.НАИМЕНОВАНИЕ ПРИБОРА.

Рассматриваемый прибор- «Высокочастотный коммутатор».

2. ОСНОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРИБОРА

Основанием для создания «Высокочастотного коммутатора», является возможность вывести на качественно новый уровень построение и функционирование систем связи, а также улучшить показатели работы этих систем.

3. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРА.

«Высокочастотный коммутатор» предназначен для коммутации сигналов в частотном диапазоне 10кГц - 30МГц.

«Высокочастотный коммутатор» может найти свое применение во всех сферах эксплуатации линий и систем связи.

4. ЦЕЛЬ СОЗДАНИЯ ПРИБОРА

· Автоматизация технологических процессов;

· Повышение уровня контроля и управляемости систем связи;

· Повышение качественных характеристик работы систем связи.

5. ТРЕБОВАНИЯ К РАССМАТРИВАЕМОМУ ОБЪЕКТУ

5.1 Требования к техническим параметрам

Ш Количество коммутируемых входов……………………8шт.

Ш Количество коммутируемых выходов…………..……. 2шт.

Ш Рабочий диапазон частот………………………………10кГц-30Мгц.

Ш Ослабление сигнала в открытом канале …………….не более 7,2дБ.

Ш Ослабление сигнала в закрытом канале……………...не менее 60дБ.

Ш Ток потребления……………………………………….100мА.

Ш Напряжение питания…………………………………...~220В.

Ш Рабочий диапазон температур………………………..-20С …+50С.

Ш Потребляемая мощность …………………………….не более 2Вт.

Ш Средняя наработка на отказ прибора в рабочих условиях, указанных в ГОСТ 13216-74……………………………………..не менее 111661,976 h.

Ш Полный средний срок службы прибора не менее…………….15 лет.

Ш Масса устройства…………………………………….не менее 2,8кг.

5.2 Требования к структуре и функциям основных узлов устройства

(Схемы электрические и печатные платы представлены в приложениях)

«Высокочастотный коммутатор» должен состоять из следующих блоков:

· блок делителей мощности 1-2;

· блок коммутатора 1-2;

· блок управления и питания;

· блок индикации.

Примечание: Так как схемы электрические принципиальные блоков делителей мощности и блоков коммутаторов идентичны то представим к рассмотрению по одной из этих схем.

Восемь сигналов должны поступать на входы коммутатора IN0…IN7. с входов сигналы поступают на блок делителей мощности 1 и делителей мощности 2, где сигналы преобразуются и каждый делится на два идентичных сигнала. Делитель мощности представляет собой микросхему, которая при подаче на вход делит мощность сигнала пополам между двумя выходами. Основу блоков делителей мощности составляют микросхемы DA1 - DA4 PSC - 2 - 2 фирмы Mini - Circuits. С делителей мощности сигналы поступают на блок коммутатора 1 и блок коммутатора 2. Коммутаторы управляются блоком управления и питания, который не только осуществляет логику управления коммутатора, но и питает блок индикации. Основу блоков коммутаторов составляют микросхемы коммутаторов DA1 - DA15 HMC270MS8G фирмы Hittite. Принципиальная схема коммутатора представляет собой дешифратор. Она управляется тримя парами сигналов. На микросхемы DA1 - DA8 подаются сигналы управления Х0 и Х1: на чётные микросхемы на вход А - Х1, на вход В - Х0; на нечётные микросхемы наоборот. Таким образом, из DA1 - DA8 в один момент времени пропускают сигнал или чётные или нечётные микросхемы. На микросхемы DA9 - DA12 подаются сигналы управления на вход А - Х0, а на вход В - Х1. Эти микросхемы коммутируют один из своих входов на выход: если из микросхем DA1 - DA8 пропускают сигнал чётные, то этот сигнал и проходит на выход DA9 - DA12, если чётные, то сигнал с них проходит на выход DA9 - DA12. Выходы микросхем DA9 - DA12 соединены с входами DA13 и DA14. На управляющие входы этих микросхем подаются сигналы управления: А - Х2, В - Х3. Эти микросхемы выбирают, какой из сигналов должен пройти на их выходы: DA13 выбирает сигналы, которые прошли или через DA1 и DA3 или через DA2 и DA4; DA14 выбирает сигналы, которые прошли или через DA5 и DA7 или через DA6 и DA8;

Выходы микросхем DA13 и DA14 соединены с входами DA15 - эта микросхемы выбирает в зависимости от сигналов управления Х4 и Х5 какой из сигналов коммутировать на свой выход.

Конденсаторы С1 - С30 используются, как фильтрующие конденсаторы по питания (защита от помех) и выбираются марки: C0805-10 пФ±10%-50В.

Дроссели L2 - L3 имеют точно такое же конструктивное исполнение и функциональное назначение, как и L1 - L4.

Чип резисторы R1 - R8 марки СR0805 - 51 Ом±5% служат эквивалентом волнового сопротивления линии, при подключении вывода к которому они присоединены к выходу. Разница в 1 Ом с волновым сопротивлением линии не несёт сколько - нибудь заметные искажения в работе устройства.

Блок индикации, показывает: какой из восьми входных каналов, подключён к какому выходу. Основу блока индикации являются светодиоды HL1 - HL16 L-424YDT. Блок питания и управления питается переменным напряжением от сети 220 В. Сигналы управления поступают на блок управления и питания с устройства, которое может быть либо пульт управления, либо ПК. Основной режим работы устройства - это когда управление осуществляется с пульта управления, а когда с ПК, то это тестовый режим.

Рассмотрим работу более детально. На блок управления и питания приходят управляющие сигналы с пульта управления или ПК. Они поступают на разъём XP2, с которого через дроссели L1 - L4 поступают на входы оптопар V1 и V2, через стабилизаторы тока, выполненные на транзисторах VT1 - VT12.

Дроссели L1 - L4 представляют собой ферритовые сердечники с продетыми сквозь них сигнальными проводами. В таком исполнении, дроссели называются трансфлюкторами, и они используются для поглощения высокочастотных помех, которые могут возникнуть в сигнальных проводах управления, из - за того, что разрабатываемое устройство работает с высокочастотными сигналами и от них соответственно могут возникнуть высокочастотные помехи.

Для осуществления гальванической развязки использовать микросхемы оптопар TLP521-4 и TLP521-2. Гальваническая развязка в данном случае осуществляется для того, чтобы предотвратить влияние разности потенциалов при подключении разъёмов управления от компьютера или пульта управления, который может находиться на расстоянии до двухсот метров. Падение напряжения на таком длинном проводе вызывает разность потенциалов, что приводит к протеканию уравнивающего тока. Этот ток приводит к сложению полезного сигнала с переменной составляющей помехи. Протекание уравнивающих токов, особенно если во время подключения проводов управления устройства находятся во включённом состоянии - это пожжет привести к выходу из строя микросхем управления. Гальваническая развязка на основе оптопары позволяет избежать этих нежелательных явлений, так как у нее присутствует защита от быстрых переключений - скорость переключения V=1 В/мкс, а защита от высоких скачков напряжения - это напряжение изоляции Uиз=600 В.

Для того чтобы ток, протекающий через фотодиод оптопар был постоянен и не зависел от падений и скачков напряжения на проводе управления, а так же было бы возможно управлять прибором с помощью ПК через LPT порт (тестовый режим), у которого напряжение управления изменяется от 0 вольт до 5 вольт, но и с помощью удалённого пульта управления (основной рабочий режим), у которого напряжение управления изменяется от 0 вольт до 12 вольт, применяются стабилизаторы тока на транзисторах КТ361А (VT1- VT12).

После оптронной развязки сигналы управления поступают на входы микросхем DD1, DD2, DD3, DD4.

Микросхема DD1 - это шесть инверсных вентилей в одном корпусе, также как и DD2 на входы которой, и поступают сигналы с выходов DD1. Микросхемы DD1 и DD2 - это К561ЛН2.

Эти две микросхемы (DD1, DD2) осуществляют управление блоками коммутатора 1 и коммутатора 2 через разъёмы XP3 и XP2. На вывод «питания» этих микросхем подключается «земля», а на вывод «земля» напряжение -6 В. Таким образом осуществляется смещение уровня логической «1» и уровня логического нуля у этих микросхем. Логический «0» равен -6 В, а логическая «1» равна 0 В. Всё это нужно для того, чтобы можно было управлять микросхемами составляющими блоки коммутатора 1 и коммутатора 2, они управляются отрицательным напряжением.

Микросхемы DD3, DD4 - это микросхемы дешифраторов К555ИД10 осуществляют управление блоком индикации через разъём XP5. На вывод «питания» этих микросхем подключается «земля», через диоды VD3 и VD4 (КД521А) , которые задают смещение 1В, а на вывод «земля» напряжение -6 В. Подключение диодов для задания смещения осуществляется из - за того, что разность потенциалов между выводами «питания» и «земля» оставалось не более 5 В, иначе если будет больше микросхема может выйти из строя. Таким образом, осуществляется смещение уровня логической «1» и уровня логического нуля у этих микросхем. Логический «0» равен -6 В, а логическая «1» равна -1 В. Всё это нужно для того, чтобы не использовать дополнительную обмотку трансформатора, дополнительный стабилизатор напряжения питания, что соответственно увеличит и габариты и стоимость изделии.

Между входами «питания» и «земля» вешаются чип конденсаторы С12, С13, С20, С23 марки C0805-0,01 мкФ±10%-50 В-X7R , для защиты от помех.

В соответствии с техническими требованиями необходимо выбрать трансформатор T1 с параметрами, рассчитанными с запасом относительно потребляемых токов устройства: Напряжение первичной обмотки 220 В; напряжение второй обмотки 9 В и на ток 200 мА, напряжение третей обмотки 10, 5 В и ток 200 мА. Трансформатор выполняется с экранированием первичной обмотки - это делается для защиты вторичных обмоток от помех создаваемых сетью. На входе трансформатора стоит фильтрующий конденсатор С9 марки К73-17-0,068 мкФ±10%-400 В. Так же на входе трансформатора стоит предохранитель FU1 марки: вставка плавкая ВП4-11-1 А-250 В.

5.3 Требования по эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту, хранению и транспортировке

Эксплуатация «Высокочастотного коммутатора» должна производиться с соблюдением требований действующих «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правил ТБ при эксплуатации электроустановок».

«Высокочастотный коммутатор» должен находиться в закрытом и отапливаемом помещении. Температура окружающего воздуха должна быть +5…+50єС, относительная влажность воздуха 30…80%, атмосферное давление 86…107 кПа.

Конструкция прибора должна соответствовать предъявляемым требованиям к электроустановкам, эксплуатируемых в условиях промышленного предприятия.

Основные узлы и блоки должны быть размещены рационально, к ним должен быть обеспечен доступ для быстрой ликвидации, возникшей неисправности.

Обслуживание должно обеспечиваться специализированным персоналом.

Конструкция устройства должна отвечать требованиям ремонтопригодности согласно Р50-84-88.

Маркировка изделия должна отвечать требованиям ГОСТ 21552-84.

Маркировку на корпусе выполнить методом теснения. Качество выполненной маркировки должно обеспечивать четкое изображение на весь срок службы изделия.

В содержании маркировки изделия должно быть:

· наименование предприятия производителя или товарный знак;

· полное товарное наименование согласно ГОСТ 21552-84;

· порядковый номер изделия и составных частей;

· объяснительные и предупреждающие надписи;

· дата изготовления.

Способ упаковки устройства, паспорта, памятки, комплекты принадлежностей, подготовка их к упаковыванию, потребительская, транспортная тара и материалы, применяемые при упаковывании, порядок размещения и маркировка должны соответствовать комплекту конструкторской документации и ГОСТ 26828-86. ГОСТ 23170-78. ГОСТ 9.014-78.

БИ, БФ, паспорт с памяткой и комплектом принадлежностей, должны быть помещены в пакеты из полиэтиленовой пленки ГОСТ 10354-82. Края пакетов должны быть заварены.

На ящик должна быть наклеена этикетка, выполненная согласно конструкторской документации, внутрь каждого ящика должен быть помещен упаковочный лист, содержащий следующие данные:

наименование и обозначение устройства;

количество мест в партии;

номера;

дату упаковывания;

подпись или штамп ответственного за упаковывание.

Транспортная тара внутри должна быть выстлана бумагой битумированной ГОСТ 515-77. Промежутки между потребительской тарой и стенками ящика должна быть заполнены обрезками картона.

Упаковка должна обеспечивать сохранность устройства на весь период транспортирования, а также его хранение в течение установленного срока.

Масса брутто должна быть не более 8 кг.

Условия транспортирования прибора должны соответствовать условиям хранения 5 по ГОСТ 15150 - 79. «Высокочастотный коммутатор» в упаковке транспортируется любым видом закрытого транспорта, в том числе и воздушным транспортом в отапливаемых герметизированных отсеках в соответствии с правилами перевозки грузов.

Способ укладки на транспортном средстве должен исключать возможность их перемещения.

Во время погрузочно-разгрузочных работ и транспортирования необходимо принять меры для предотвращения непосредственных механических воздействий, попадания влаги и пыли.

Хранение прибора в упаковке должно соответствовать условиям хранения 1 по ГОСТ 15150 - 79.

Устранение неисправностей, требующих вскрытия прибора с нарушением клейма (пломбы), должна производиться в специализированных ремонтных лабораториях.

5.4 Требования по стандартизации и унификации

«Высокочастотный коммутатор» должен состоять не менее чем на 90% из стандартных деталей.

Монтажные платы, панели, узлы крепления и установки должны быть унифицированы.

Коэффициент унификации стандартных и заимствуемых деталей должен быть не менее 0.1.

5.5 Требования к документации

«Высокочастотный коммутатор» должен обеспечиваться следующими эксплуатационными документами:

Ш Структурная и функциональная схемы прибора;

Ш Электрическая принципиальная схема прибора;

Ш Внешний вид прибора.

В документации по эксплуатации и требованиям по технике безопасности должны быть соблюдены правила технической эксплуатации электромонтажа, и правила безопасной эксплуатации.

5.6 Требования к надёжности

Вероятность безотказной работы «Высокочастотный коммутатор» за период 1000 часов должна быть не менее 0,98.

Безотказность - средняя наработка на отказ прибора не менее 13000 часов.

Долговечность - полный средний срок службы прибора не менее 15 лет.

Ремонтопригодность - средний ресурс до среднего ремонта не менее 9000 часов.

5.7 Требования к метрологическому обеспечению

«Высокочастотный коммутатор» должен иметь:

· класс точности 0,1;

· количество коммутируемых входов - 8;

· количество коммутируемых выходов - 2.

5.8 Требования к безопасности

Ш По степени защиты от поражения электрическим током прибор относится к классу 01,ГОСТ 12.2.007.0-75.

Ш Конструктивное исполнение устройства в соответствии с ГОСТ 12.1.006-87 должно обеспечивать его пожарную безопасность в аварийном режиме и при нарушении правил эксплуатации.

Ш К работе с прибором и, его обслуживанию допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с измерительными приборами и ознакомившиеся с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации прибора.

Ш Соблюдайте осторожность при регулировке и ремонте.

Ш Производите замену предохранителей только в отключен-ном от сети приборе,

Ш При работе в помещении с проводящими полами рабочее место должно быть укомплектовано резиновым ковриком. Металлические каркасы и основания столов, стеллажей, верстаков, стульев должны быть заземлены на ту же шину, что и прибор. Все ремонтные работы надлежит производить только при отсоединенной вилке шнура пита-ния от сети.

Ш Меры защиты от поражения электрическим током должны отвечать ГОСТ 12.2.007.0-75.

Ш Общие требования по обеспечению пожарной безопасности в помещениях согласно ГОСТ 12.1.004-85.

Ш Конструкция прибора должна исключать возможность неверного присоединения его токоведущих частей.

Ш В качестве основного источника питания должна выступать промышленная сеть переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220В,

5.9 Требования по эргономике и технической эстетике

Корпус устройства должен быть выполнен в соответствии с действующими СНиП. Изделие по своим эргономичным показателям должно обеспечивать удобство при монтаже и эксплуатации.

5.10 Требования по патентной чистоте

Патентная частота должна быть обеспечена.

5.11 Требования по защите от утечки информации

Не требуется.

6. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Прибор «Высокочастотный коммутатор» должен быть экономным в потреблении электроэнергии, рациональным при размещении деталей и монтаже электрической схемы.

ЛИТЕРАТУРА

1. «Методические указания для студентов СП.190900-ИИТ»- МГОУ 2004

2. Проектирование радиопередатчиков. / под ред. В.В. Шагильдяна, М.: Радио и связь, 2000.

3. В.Г. Ерёмин В.В. Сафонов. Обеспечение безопасности жизнедеятельности в машиностроении. М.: Машиностроение,2000.

4. Оформление курсовых и дипломных работ. Методические указания для студентов специальности «Промышленная электроника» /Сост.: М.А. Амелина, С.А. Амелин, Ю.В.Троицкий. /под ред. В.Ю. Смердова, Смоленск: ГОУВПО СФМЭИ(ТУ), 2001.

5. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Т.2 - М.: Радио и связь, 2000.

6. СD - справочник радиолюбителя..

7. В.Д. Разевиг. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: Солон-Р, 2000.

8. Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М.: Мир. 1990.

9. CD - фирмы Hittite.

10. CD - фирмы Mini - Circuits.

11. Актуальные вопросы проектирования антенно - фидерных устройств средств радиосвязи и радиовещания. /под ред. Г.И. Трошина, М.: Сайнс - пресс, 2001.

12. Линии передачи СВЧ - диапазона. В.М. Максимов, М.: Сайнс - пресс, 2002.

13. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. Экономическая часть. Смоленск, 1998.

14. М. Гук. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2000.