Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптических систем передачи информации диапазона ДЦВ

4. Расчет фотоприемного устройства

4.1 Расчет выходного усилителя

Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность. При этом мощности, потребляемые, от источников питания и сигнала должны быть минимальными.

Режим работы транзистора, определяемый положением исходной рабочей точки (точки покоя) на выходных характеристиках транзистора (рис.4.1) т.е. значениями тока покоя коллектора I_к к постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером U_к , должно быть таким, чтобы на внешней нагрузке обеспечивалось заданная(номинальная)мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых значений.

Принимая во внимание потери мощности сигнала в выходной цепи, вносимые цепью обратной связи, выходной цепью транзистора, максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора

Р_{кр макс} < i_k

Р_{к доп} = 100 мВт

(Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора не должна превышать допустимую величину).

Определим режим работы выходного транзистора. Ток коллектора выходного транзистора был оговорен при выборе принципиальной схемы.

Для уменьшения нелинейных и частотных искажений ток покоя выбрали равным 10 мА исходя из того что:

R_{кр макс} ? U_кэ?I_к

U_кэ - напряжение между коллектором и эмиттером = (5ч6)В.

Рис. 4.1 Выходная характеристика транзистора

Напряжение гасимое на сопротивлении R19 находим , как разницу напряжения источника питания и падением напряжения на резисторе R20 и между коллектором и эмиттером.

=6,5 В

Определим токи выходного каскада:

Где h₂₁=среднее значение коэффициента усиления по току

I_д - ток протекаемый через делитель напряжения. Для достаточной стабильности режима транзистора I_д должен быть значительно больше I_б, обычно принимают I_д ? (5ч10)I_б

Пусть I_д = 10I_б, тогда:

I_э = 10·10^-3 + 0,1· 10^-3 = 10,1 (мА)

I_д = 10·0,1мА = 1(мА)

Сопротивление резисторов делителя напряжения в цепи базы транзистора рассчитывается по формуле:

U_б0 = U_бэ + U_э0 = U_бэ + I_к · R_э(21)

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов, значения напряжений база - эмиттер можно принять равным:

U_бэ = 0,6В, тогда



По номиналам: R18 = 10(кОм)

R19 = 1,1(кОм)

Нелинейные искажения усилителя определяется выходным каскадом, ко входу которого приложено наибольшее напряжение сигнала, точнее нелинейностью характеристик транзистора этого каскада:

R₂₁ = R_вых = 50(Ом)

4.2 Расчет предварительного усилителя (ПУ)

ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ - минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазоны. Как уже рассматривалось ранее, для удовлетворения этих требований входной каскад выполнен по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.

Второй и третий каскады для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняются по каскодной схеме. Весь ПУ охвачен общей ООС, что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.

Проведем расчет каскадов усиления по постоянному току. Расчет К - цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов микросборки и входного каскада, а также расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность, при этом мощности потребляемые от источника питания и сигнала должны быть минимальными.

Как уже было оговорено, входным выбирается маломощный транзистор СВЧ диапазона с f_m > (4ч5)ГГц. Например: 2Т 3114 В-В.

Он, а также транзисторы, входящие в состав СВЧ микросборки

М45121-2 имеют следующие основные параметры:

Р_{к доп} = 100 мВт

I_{к доп} = 20 мА

U_{к доп} = 15 В

ф_к = 1,5 нс

f_г = 5 ГГц

h₂₁ = 40 - 330

С_к = 0,6 пФ

Из ранее рассмотренных соображений относительно широкополосности и собственных шумов ФПУ ток коллектора I каскада равен 2 мА. Ко II и III каскадам менее жестки шумовые требования и с целью улучшения частотных свойств, ток коллектора выбран в пределах 5 мА. Для расчета шумов величина сопротивления нагрузки фотодиода по переменному току R_г в данной схеме рассчитывается как:

R_г = R2 || R4 || R1 = 1кОм

При R_г = 1кОм шумы R_г и тока базы транзистора соизмеримы, если I_б = 20мкА

При приравнивании:

получим:

при R_Г = 1кОм

I_б = 20мкА

Находим и наносим значение напряжения на всех узлах схемы относительно общего (заземленного) полюса источника питания. При этом следует учесть, что величина нагрузочных резисторов II - го и III - го каскадов (R7 и R15) должны быть не более 75Ом. Иначе ухудшатся частотные свойства усилителя. Исходя из этого, при коллекторных токах 5мА, на этих резисторах будет падение напряжения около 0,5В.

Коэффициент передачи цепи обратной связи по постоянному току вычисляется по следующей формуле:

Где R_вх(VT4) - входное сопротивление каскада с ОК.

R_вх = h₁₁+R_э(1+h₂₁)

Так как R_вх » R1 и им можно пренебречь, тогда

Напряжение на базе VT1:

U_б0,1 = U_к2 · В

U_б0,1 = 11,5 0,37 = 4,2(В), где

U_б0,1 = U_бэ,1 + U_бэ,3 + U_э,3

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов значения напряжения база - эмиттер можно принять равным (0,6ч0,7)В.

Выбираем: U_бэ,1 = 0,6 В, U_бэ1,3 = 0,7 В

Тогда

U_э,3 = 4,2-1,3 = 2,9(В)

Напряжение на эмиттере первого транзистора находим следующим образом:

U_э,1 = ф_б0,1 - ф_бэ,1

U_э,1 = 4,2-0,6 = 3,6(В)

Для широкополосного усилителя выбираем U_э,2 = 4В

Следовательно:

U_э3 = U_к,2 = U_кэ,2 - U_э,3

U_кэ,3 = 11,5 - 4 - 2,9 = 4,6(В)

Напряжение на базе второго транзистора

U_б0,2 = U_к,3 + U_бэ,2 = (U_э,3 + U_кэ,3) + U_бэ,2

U_б0,2 = (2,9 + 4,6) + 0,7 = 8,2(В)

Так как каскады II и III однотипны то постоянные напряжения транзисторов T4 и T5 соответствуют постоянным напряжениям транзисторов T2, T3 ИМС.

Зная все напряжения в схеме и токи каскадов сопротивление резисторов схемы:

по номиналу принимаем R9 = R16 = 510(Ом)

Для достаточной стабильности режима транзисторов Т2, Т4, Т5 ток, протекающий через делитель напряжения в цепи базы I_д берем равным 1мА.

Сопротивление делителя в цепи базы VT1 должны с одной стороны удовлетворять условию R_г = R2 || R4 || R1 = 1кОм, а с другой стороны, обеспечивать необходимое напряжение смещения (4,2В).

Величина R2, исходя из смещения на T3 и тока коллектора, VT1 выбрана 1,8 кОм, следовательно:

(R1||R4 = x)

x · 1,8 = x + 1,8;

0,8x = 1,8;

x = 2,25;

Решив систему уравнений, найдем необходимые величины резисторов R1 и R4:

Выберем: R1 = 3,6 кОм и R4 = 6,2 кОм

Сопротивления резисторов делителя напряжения в цепи базы Т2, Т6 рассчитываются по следующим формулам:

Эти резисторы выберем равными 7,5 (кОм)



Примем номиналы этих резисторов равными 3,9 кОм.

Для расчета базового делителя транзистора Т5 используется аналогичная методика. Ток делителя выберем равным 1мА, что соответствует номиналам резисторов:

Ближайшими к этим будут номиналы: 8,2(кОм) и 3,6(кОм), соответствующие резисторам R11 и R12.

Местную ОС в цепи эмиттера Т3 создает цепочка R10;C5, а также R17;C7 в III - ем каскаде ФПУ.

Необходимое значение ОС: F = 1 + S · R_эос

Коэффициент усиления усилителя без ОС (К) должен быть достаточным для обеспечения заданного значения К, при требуемой величине F:

По номиналу R_ЭОС(R10) = 22(Ом), тогда требуется глубина местной обратной связи равной:

F = 1 + 0,2 · 2,2 = 5,5

Цепь Г - образных RC фильтров в цепи питания используется из условия выполнения двух требований:

· Минимальные потери напряжения источника питания;

· Обеспечение устранения самовозбуждения из-за паразитной обратной связи между каскадами на сопротивлении питающих проводов и внутренним сопротивлением источника питания;

4.3 Расчет частотных характеристик цепи усилителя.

Определим граничную частоту усиления ФПУ. Коэффициент усиления К цепи, как функцию передачи информации линейной цепи, представить в операторной форме [9]:

где U_2(p) - напряжение на выходе фотоприемного устройства

U_1(p) - напряжение на нагрузке ФД т.е. на комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.

К_(р) - общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ, кроме выходного.

J_ф - фотопоток сигнала

Z_вх,F - входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первых 2 каскада:

В нашем случае К_(р) = К_1(р) · К_2(р) и К_(р) = К₁ · К₂ = К₂, так как

К₁ = 1 и усиление этих каскадов можно считать в нашем частотном диапазоне постоянным.

Тогда при использовании формулы Блеймана, найдем Z_вх,F:

F_кз = 1; F_xx = 1 + кв_(р) ,

Где

В результате получим:

1+ B₀ · K = F₀ - глубина местной гальванической обратной связи.

В₀ - коэффициент передачи по петле обратной связи.

Частота верхнего среза для входных каскадов ФПУ (первого и второго) при действии ООС равна:

Определим напряжение шумов на выходе ФПУ:

I = I_RГ + I_б + I_д0 = 50мкА + 20мкА + 180мкА = 0,25мА

Чтобы пренебречь шумами измерительного приемника, которые в полосе частот 20 кГц составляет 0,5 мкВ, увеличим напряжение шумов на выходе ФПУ в 3 раза:

4.4. Оптимизация характеристик цепи ПУ

При помощи программы моделирования электрических цепей Fastmean).

Программы моделирования электрических цепей (такие как OrCAD PSPICE, Micro-Cap, Electronics Workbench) во многих задачах обеспечивают удовлетворительный анализ переходного процесса. Однако в некоторых случаях расчет занимает очень много времени и точность может быть значительно ниже, чем необходимо, так как множество точек переходного процесса необходимо вычислить с помощью традиционной процедуры интегрирования.

В программе FASTMEAN используются новые решения матричных рекуррентных уравнений. Этот алгоритм совершенно отличается от обычно используемых в программах. Вместо отдельных точек функции переходного процесса вычисляются коэффициенты разложения в ряд Тейлора в матричной форме. Это позволяет найти значение функции для любого момента времени внутри заданного шага, который может быть больше (в сотни, тысячи раз и более), чем обычный шаг в широко используемых программах. В некоторых случаях, переходный процесс во всем временном интервале может быть рассчитан за один шаг.

Увеличение числа членов разложения в ряд Тейлора вместо увеличения числа маленьких шагов позволяет существенно уменьшить время расчета и, в то же время, увеличить его точность. Однако, максимальное число членов ряда Тейлора ограничено возможностями современного компьютера и составляет 70-80 членов. Вычисление большего числа членов может привести к большей ошибке, чем ожидается, или к совершенно неверному результату (при вычислении более 100 членов), но это происходит не по вине метода, а из-за ограниченности разрядной сетки компьютера и, следовательно, из-за ошибок округления.

Математические основы этих решений разработаны проф. Артымом А.Д. и проф. Филиным В.А. (Россия, г. Санкт-Петербург, Государственный Университет Телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, кафедра Теории Электрических Цепей). Впоследствии, проф. Артым, проф. Филин и их коллеги разработали совершенно новую программу и применили ее для решения серьезных практических задач. Данная версия FASTMEAN предназначена для привлечения внимания специалистов и научных коллективов ВУЗов, интересующихся проблемами анализа сложных переходных процессов в цепях (также с переключениями), которые трудно рассчитать с большой точностью и скоростью традиционными методами.

На панели инструментов есть 3 группы элементов: Основные, Источники и Активные. Выберите одну из них, и появится окно с доступными элементами. Выберите нужный нажатием на соответствующую кнопку и поместите его на схему щелчком левой кнопки мыши. После того, как вы закончили добавлять элемент, нажмите правую кнопку мыши или соответствующую кнопку в окне.

Вы можете легко изменить параметры элемента, дважды щелкнув на нем мышью и введя необходимые значения в окне диалога. Вы можете вращать и отображать элемент: выделите его и нажмите нужную кнопку на панели инструментов. Используйте команды Вырезать(Ctrl+X), Копировать(Ctrl+C), Вставить(Ctrl+V) для работы с буфером обмена. Когда Вы выделяете элементы и нажимаете Вырезать или Копировать, программа помещает их в буфер обмена, используя свой формат, и как точечный рисунок, так что Вы можете использовать изображение схемы в других приложениях.

Вы можете соединить элементы проводами с помощью мыши, перетаскивая указатель от одного вывода к другому. Чтобы соединить более двух проводов вместе, используйте Соединитель (группа Основных элементов). Можно подтащить провод от вывода к другому проводу - программа автоматически соединит их, добавив Соединитель.

Чтобы изменить масштаб, используйте команды: Увеличить масштаб(Ctrl++) и Уменьшить масштаб(Ctrl+-).

После того, как Вы создали схему, ее можно сохранить, используя команды меню Файл.

Группы элементов: Основные, Источники и Активные элементы (линейные модели).

Основная группа включает:

Резистор. Параметры: сопротивление(R) в омах

Индуктивность. Параметры: индуктивность(L) в Гн; начальные условия (НУ) в А.

Конденсатор. Параметры: емкость(C) в Ф; начальные условия(НУ) в В

Унистор. Параметры: крутизна(S) в См

Идеальный трансформатор. Параметры: коэффициент трансформации(n)

Соединитель. Для соединения более двух проводов вместе.

"Земля". Для обозначения нулевого узла. Вы должны присоединить "Землю" к схеме, чтобы выполнить анализ.

Группа источников включает:

Источник напряжения. Параметры:

Тип источника - постоянный, гармонический или меандр

В зависимости от типа источника доступны различные параметры.

Для постоянного: напряжение(U0) в В.

Для гармонического: амплитуда(U0) в В; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору).

Для меандра: частота(f) в Гц; длительность в %; напряжение(U0) в В; смещение в В.

Источник тока. Параметры:

Тип источника - постоянный или гармонический

В зависимости от типа источника доступны различные параметры.

Для постоянного: ток(I0) в А

Для гармонического: амплитуда(I0) в А; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору).

Источник тока управляемый напряжением (ИТУН). Параметры: проводимость(g) в См.

Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН). Параметры: коэффициент управления(k) в В/В.

Источник тока управляемый током (ИТУТ). Параметры: коэффициент управления(h) в А/А.

Источник напряжения управляемый током (ИНУТ). Параметры: сопротивление(r) в омах Гиратор. Параметры: крутизна(Sg) в См.

Группа активных элементов включает:

Лампа. Параметры: крутизна(S) в См; внутреннее сопротивление(Ri) в омах.

Биполярный транзистор n-p-n типа. Параметры: коэффициент передачи тока(alpha); омическое сопротивление эмиттера(Re); омическое сопротивление коллектора(Rc); омическое сопротивление базы(Rb);

Идеальный операционный усилитель(ОУ). Параметры: коэффициент усиления(k) в В/В

Для всех элементов, кроме резистора, за положительное направление отсчета тока принимается направление от узла с большим номером к узлу с меньшим номером.

Для всех элементов за положительное направление отсчета напряжения принимается направление от узла с меньшим номером к узлу с большим номером.

Замечание. Принимается, что нулевой узел имеет наибольший номер.

Программа показывает сообщение об ошибке в следующих случаях:

"Схема физически некорректна", если Ваша схема некорректна (например, 2 источника тока, 2 индуктивности или индуктивность и источник тока, соединенные последовательно).

"Ошибка: Источник напряжения соединен параллельно с конденсатором";

"Ошибка: 2 источника напряжения соединены параллельно";

"Ошибка: 2 конденсатора соединены параллельно", если соединить параллельно 2 источника напряжения, 2 конденсатора или конденсатор и источник напряжения.

"… : элемент закорочен", если элемент закорочен. Так как он не влияет на токи или напряжения в цепи, его следует убрать.

"… : элемент не соединен", если элемент разомкнут. Вы можете избежать этого сообщения, присоединив выводы элемента к Соединителям, но только в том случае, если это будет физически корректно (так можно сделать с резистором, но нельзя с индуктивностью).

"Добавьте землю к Вашей схеме.", если в схеме нет земли. Вы должны присоединить землю к схеме, чтобы выполнить анализ.

Эквивалентная схема приведена на рис. 4.4.

Раздел 5. Конструктивная разработка фотоприемного устройства

Разработка конструкции ФПУ проводится с целью получения требуемых технических характеристик устройства самым целесообразным способом с точки зрения техники и экономики.

В результате выбрана следующая конструкция: устройство размещается во фрезерованном латунном корпусе размерами 70Ч55Ч30 мм, что обеспечивает прочность конструкции, надежную экранировку от помех и наводок, играет роль теплоотвода.

На современном этапе развития РЭА монтируют на печатных платах, что дает возможность механизировать и автоматизировать процесс сборки РЭА, повышает ее надежность, облегчает ремонт, обеспечивает повторяемость монтажа от образца к образцу.

Электрическая схема размещается на плате, которая изготавливается из листового электроизоляционного материала с наклеенной с одной стороны медной фольгой.

Процесс выделения токоведущих проводников осуществляется путем травления в специальных растворах. Необходимая топология печатной платы задается рисунком лакового слоя , наносимого на фольгу и предохраняющая отдельные ее участки (будущие токоведущие дорожки) от соприкосновения с реагентом.

Схема выполняется по гибридно-пленочной технологии.

Сопротивления напыляются, а полупроводниковые приборы и емкости выполняются навесными. Для изоляционного основания выберем стеклотекстолит , как достаточно прочный в механическом плане и имеющий низкую проводимость в электрическом плане материал.

Толщина платы 2,5 мм, что достаточно для получения механической жесткости готовой печатной платы и ее размеров. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода радио детали, что обеспечивает возможность свободной установки радио элементов. Отверстия на плате располагаются таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не менее толщины платы. Иначе эта перемычка не будет иметь достаточной механической прочности. Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы высокочастотных транзисторов, необходимо делать прямоугольными.

Разводка печатных проводников делается таким образом , чтобы они имели минимальную длину. При разработки усилителя, работающего на частотах выше 100 МГц необходимо предусматривать максимальное удаление друг от друга входных и выходных радиоэлементов. Такая технология изготовления позволяет снизить трудоемкость сборки усилителя, повысить срок службы.

Фотодиод и высокочастотные контакты находятся в уплотнительных отверстиях в стенках корпуса.

Готовая печатная плата устанавливается в корпусе, который наглухо закрывается жестяной крышкой. Стык пропаивается, что обеспечивает надежную защиту от наводок и помех. На этом корпусе также установлен проходной конденсатор, обеспечивающий ввод в конструкцию питающего напряжения.

Топология блока приведена в приложении 3, где тонкими линиями изображены перемычки, выполненные золотой проволокой.

Глава 6. Обеспечение безопасности жизнедеятельности.

6.1 Анализ характеристик объекта проектирования трудовой деятельности человека, производственной среды

Фотоприемное устройство является модулем приемной части волоконно-оптической системы передачи. Надежность и безопасность работы этого устройства очень важна. ФПУ устанавливается в стойку оконечного оборудования, или в подземном, в качестве ретрансляторов.

Нормальное функционирование ФПУ обеспечивается в диапазоне температур от -30єС до +30єС , относительной влажности от 20% до 99%,атмосферным давлением от 400 до 900 мм.рт.ст. Питающие напряжения равно +12В. Электропитание ФПУ осуществляется на оконечной станции от стабилизированного источника постоянного напряжения, подключенного к трехфазной, четырехпроходной с заземленной нейтрально 380/220 В, 50Гц Конструктивно, устройство размещается в фрезерованном латунном корпусе 70х55х30мм, что обеспечивает прочность конструкции. Масса устройства около 300г.

Трудовая деятельность человека при работе с устройством заключается либо в изготовлении, настройке, либо в ремонте.

Все эти виды деятельности являются алгоритмизированными. Настройка и ремонт производятся при использовании испытательного стенда (при настройке возможно применение слесарного инструмента).

Все работы с устройством производятся в закрытом помещении, либо на специально оборудованных рабочих местах, снабженных вытяжной вентиляцией, для удаления вредных, для здоровья человека паров свинца, возникающих при пайке, либо на автоматических линиях.

Освещение рабочего места искусственное или совмещенное. В связи с тем, что питающие напряжения равны -12В и +12В, человек при работе с ними опасному воздействию не подвержен.

Особенностью технического процесса являются малые размеры элементов устройства.

Для ремонта и настройки ФПУ требуются следующие инструменты и приборы:

· Паяльник 42В, пинцет, отвертка, узкогубцы;

· Источник монохроматического света с длиной волны 1,3 мкм, модулируемый по интенсивности в диапазоне

до 1 ГГц;

· Измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-11;

· Ампервольтметр В7-22;

· Осциллограф С7-13;

· Измеритель оптической мощности;

· Стабилизированный источник питания, присоединенный в шине зануления в одной точке.

Для обеспечения здоровых условий труда работающих по настройке и ремонту необходимо определить параметры окружающей среды, воздействующей на человека, необходимые мероприятия для обеспечения безопасных условий труда, мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.

6.2 Мероприятия по эргономическому обеспечению

ФПУ работает в автоматическом режиме. В связи с этим вводятся следующие меры по обеспечению труда в процессе ремонта:

- на поверхности печатной платы нанесены позиционные обозначения элементов;

- выделенные контрольные точки для быстрого определения неисправного узла по характерным параметрам сигнала;

- конструкция выполнена в легко доступной форме, крышки экранов легко отпаиваются, открывая доступ к элементам ФПУ.

Простота схемного решения усилителя фотоприемника , удобная компоновка элементов на плате и соответствующая маркировка элементов сокращают время отыскания неисправностей и регулировки ремонтируемого изделия, не перегружая внимание регулировщика по чтению ремонтируемой схемы. Незначительное напряжение питания устройства и токи снижают опасность подведения действием электрического тока на ремонтника.

Все перечисленные факторы позволяют быстро, без ошибок найти неисправность и отрегулировать фотоприемное устройство специалистом четвертого разряда.

В зону рабочего места настройщика входят: стол ,стул и стеллаж. Конструктивно стол выполнен из гнутых по форме стальных труб, облицованных деревом и пластиком. Стол имеет секции общей вентиляции, а также секции электропроводки с колодками - зажимами для подключения измерительных приборов. Большие удобства дают выдвижные ящики стола с левой стороны от оператора , в них хорошо хранить различные элементы и к ним обеспечивается быстрый и легкий доступ (особенно, если они находятся в неглубоких ячейках). Стеллаж располагается над столом на высоте 300 мм, где устанавливается блок питания В5-12. Генератор сигналов расположен слева на столе, а справа помещается паяльник и инструмент, необходимый при настройке и регулировке ремонтируемого блока.

Рабочее пространство, высота и расположение органов управления измерительных приборов создают, удобную зону для работы настройщика в пределах досягаемости вытянутой руки.

В связи с тем, что при пайке выделяются вредные для человека пары свинца, рабочее место оборудовано вытяжной вентиляцией, а все помещение приточно-вытяжной.

Так как работоспособность человека снижается при низких и высоких температурах воздуха в помещениях, рационально применять кондиционеры.

Определим нормы на температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха. Характер выполняемых работ - легкий (механизированный, сидячий труд). Производственное помещение с незначительным избытком явного тепла, поэтому на рабочем месте оптимальными будут: температура 18ч21⁰C, относительная влажность 40ч60%, скорость движения воздуха 0,1..0,2 м/с, атмосферное давление 750..770 мм. рт. ст., содержание кислорода в воздухе 19-20% и 1% углекислого газа.

В помещении в котором производится настройка, регулировка блока предусмотрена система отопления. Она обеспечивает достаточное, постоянное и равномерное нагревание воздуха в помещении в холодный период года. При этом колебании температуры в течении суток недолжны превышать 2-3⁰С.

Нормы освещенности выбираются в соответствии с коэффициентом отражения фона и объекта, а также исходя из точности работы, определяемой по наименьшему объекту различимости в мм. Принимая для печатной платы коэффициент отражения равным .Вычисляем коэффициент контрастности К:

;

где - коэффициент отражения от светлого фона,

- коэффициент отражения от темного фона.

Данное значение соответствует средней контрастности. Исходя из этих данных, при размере объекта различимости равном 0,5 мм, наименьшая освещенность при комбинированном освещении должна составлять 300 лк.

Для обеспечения нормальных условий работы при настройке и регулировке ФПУ освещение используется искусственное или комбинированное. Для создания высокого уровня освещенности может быть использовано местное освещение.

Разработанное ФПУ выполнено по гибридной технологии на дискретных элементах с использованием ИМС. Это значительно улучшило повторяемость конструкции и позволило снизить затраты времени на настройке и ремонте ФПУ.

6.3. Мероприятия по технике безопасности

В связи с тем , что питание измерительных приборов осуществляется от сети напряжением 220 В и не исключается возможность одновременного прикосновения человека к корпусам оборудования, имеющих соединения с землей и токоведущими частями, ремонтное помещение относится к категории помещений с повышенной опасностью поражения электрическим током.

Так как питающее напряжение ФПУ равно +12В оно практически безопасно для оператора. Однако, все приборы (а также их корпуса) ,применяемые в испытательном стенде , на котором производится настройка . должны быть обязательно занулены во избежании несчастных случаев с людьми .либо порчи устройства.

Применяемые на оконечных станциях блоки питания обязательно имеют электронную защиту по току, кроме того обязательно применение калибровочных, плавких вставок для ограничения токов в цепи питания 220 В. Для предотвращения случайных прикосновений к токоведущим частям высокого напряжения, все эти цепи надежно изолированы.

Надежное зануление всех приборов обеспечит требуемую защиту рабочему персоналу.

6.4 Мероприятия по пожарной безопасности

На рабочем месте могут быть следующие наиболее вероятные причины пожара:

- небрежное обращение с открытым огнем;

- короткое замыкание в силовой сети;

- короткое замыкание из-за недостаточной жесткости конструкции;

- искрение.

Короткое замыкание может произойти либо при пробое изоляции, либо при нарушении изоляции, вследствие посторонних причин, например: расплавлении при попадании провода на горячее жало паяльника. Сечение проводов в устройстве необходимо выбирать с учетом возможных перегрузок (для тока 0,1А требуется провод с площадью сечения не менее 0,05мм² (диаметр 0,12мм), при плотности тока 5А/мм², запас равен 2,5).

Искрение возникает в местах ненадежных соединений (разболтанные или окислившиеся контакты). Для его предотвращения необходимо постоянно следить за состоянием разъемов и контактов, вовремя их чистить или заменять.

Для предотвращения пожаров необходимо содержать рабочее место в чистоте и порядке, не допускать на рабочем месте скопления бумаги, а ЛВЖ хранить в специально отведенных местах.

Применение открытого огня на рабочем месте является нарушением техники безопасности и потому не рассматривается.

Необходимо нахождение в помещении одного - двух углекислотных огнетушителей типа ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8, а также пожарной сигнализации ТЛО-30, которая подает сигналы о пожаре в случае, если люди в помещении отсутствуют.

6.5 Выводы

1. Разработанное устройство отвечает эргономическим требованиям.

2. Применяемые меры по электробезопасности исключают поражения электрическим током.

3. Меры пожарной профилактики исключают возникновения пожара в разработанном устройстве.

7. Технико-экономические расчеты

7.1 Расчет полной себестоимости

Расчет проводим по следующим элементам затрат:

- материальные затраты (за вычетом стоимости возвратных отходов) ;

- затраты на оплату труда ;

- прочие расходы.

7.1.1 Расчет материальных затрат (М_з) (за вычетом стоимости возвратных отходов)

а) Расчет сырья и основных материалов (М_с).

Здесь учитывается стоимость всех используемых материалов. К полученной сумме добавляется 20% (в соотв. с реком. Л.3. приним. от 10 до 30%) от стоимости материалов на транспортные и заготовительные расходы. Цены на сырье и материалы взяты из каталога 2001 года. Расчеты приведены в таблице 7.1.1 а, б

Таб. 7.1.1а Расчет стоимости основных материалов

Наименование материала. Ед.изм.	Норма расхода.	Цена в рублях. За 1кг.	Сумма в рублях.
Дюраль, кг.	0,1	80	8,0
Эмаль, кг.	0,05	84	4,2
Лак, кг.	0,05	68	3,4
Стеклотекстолит,кг.	0,05	87	4,35
Канифоль, кг.	0,02	48	0,96
Припой, кг.	0,05	153	7,65
Провод, кг.	0,05	2,3	0,2
Винт, кг.	0,03	70	2,1
Гайка, кг.	0,03	70	2,1
Итого			32,96
Транспортн. и заготовит.расх.20%			6,6
Всего			40,0

В этой статье учитываем стоимость всех покупных и комплектующих изделий. К полученной сумме добавляем расходы на транспорт (в соотв.с реком.Л.3.принимается от 20 до 30%) в размере 30% от суммы затрат на покупные комплектующие изделия. Расчет затрат на покупные изделия и полуфабрикаты приведены в таб.7.1.1.б.

Таблица 7.1.1.б Покупные изделия и полуфабрикаты.

Наименование изделий.	Тип .	Количество .	Цена за единицу в руб.	Сумма в руб.
ИМС	М 45121-2	1	80	80
Транзисторы	2Т3114В-6	2	25	50
Фотодиод	ФД ЛФДГ-7СП	1	360	360
Резисторы	МЛТ- 0,125	22	0,3	6,6
Конденсаторы	К10-42	3	2,6	7,8
	КМ-5А-Н90	6	3	18
Корпус	Металлический	1	110	110
Разъем	ГРПМ 9-14	1	15	15
Итого				647,4
Транспортные расходы,30%				194,2
Всего				842,0

в) Возвратные отходы.(М_возв)

Рассчитываем в соответствии с формулой:

М_возв = Н_отх·М_с (руб.)

где Н_отх - процент, учитываемый при расчете возвратных отходов. В расчетах принимаем Н_отх = 1% (в соотв.с реком.Л.3)

М_возв = 0,01·40 = 0,4 (руб.)

Вывод: Итого материальные затраты (за вычетом стоимости возвратных отходов) составляют:

М_з = М_с + П - М_возв (руб.)

М_з = 40 + 842 - 0,4 = 881 (руб.)

Под затратами на оплату труда понимают начисления на оплату труда по всем основаниям, включающие следующие статьи затрат: затраты на оплату труда основного производственного персонала предприятия и дополнительную заработную плату, включающую предусмотренные законодательством компенсирующие и стимулирующие надбавки.

а) Расчет затрат на оплату труда основного производственного персонала предприятия. (З_пр)

Найдем часовую ставку (Dt)

Dt = (МРОТ·Kt) / Ф,

где МРОТ - минимальный размер оплаты труда (450 руб.)

Kt - коэффициент, учитывающий тарифный разряд.

Ф - рабочие часы за 1 месяц( за май 159 часов)

Kt 3 = 1,59 (3-ий разряд)

Kt 4 = 1,73 (4-ый разряд)

Kt 5 = 1,82 (5-ый разряд)

Kt 6 = 2,0 (6-ой разряд)

тогда Dt3 = 4,5 (руб.)

Dt4 = 4,8 (руб.)

Dt5 = 5,1 (руб.)

Dt6 = 5,6 (руб.)

Расчет затрат на оплату труда производим в таблице 7.1.2:

Таблица 7.1.2 Основная заработная плата

Виды работ	Тарифный разряд	Часовая ставка	Трудоемкость, час.	Зарплата, руб.
Заготовительные	3	4,5	2,5	11,25
Слесарные	4	4,8	2,5	12,0
Изготовление печатной платы	4	4,8	3,0	14,4
Монтажно-сборочные	5	5,1	4,0	20,4
Настройка	5	5,1	3,0	15,3
Итого Зпр				74,0

б) Расчет дополнительной заработной платы (З_доп)

Дополнительная заработная плата составляет 20% (в соотв.с реком.Л..3.) от основной заработной платы производства.

З_доп = 0,2·З_пр = 0,2·74 = 15 (руб.)

в) Итого фонд оплаты труда (ФОТ):

З = З_пр+З_доп = 74+15 = 89 (руб.)

Прочие расходы

а) Расчет отчислений на единый социальный налог (Р_соц).

Отчисления на единый социальный налог в соответствии с законодательством составляют 35,6 % от фонда оплаты труда, в том числе :

· В фонд государственного социального страхования РФ

· В пенсионный фонд РФ

· В государственный фонд занятости

· На обязательное медицинское страхование

Рассчитываем по формуле:

Р_соц = 0,356 · З = 0,356 · 89 = 32 (руб.)

б) Прочие расходы включают в себя : расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, цеховые расходы , общехозяйственные расходы, коммерческие расходы, которые составляют 150 % от расходов на оплату труда (З).

Р_проч' = 1,5 · З = 1.5 ·89 = 134 (руб.)

Итого прочие расходы включая амортизацию основных расходов:

Р_проч = Р_соц + Р_проч' (руб.)

Р_проч = 32 + 134 = 166 (руб.)

На основе выполненных расчетов составляем калькуляцию полной себестоимости и сводим ее в таблицу

Таблица Полная себестоимость изделия.

Наименование статей затрат	Сумма, руб	Удельный вес, %
1. Материальные затраты(за вычетом возвратных отходов , в том числе:	881	77,5
- сырье и основные материалы	40
- комплектующие изделия и полуфабрикаты	842
2. Затраты на оплату труда, в том числе	89	7,8
- основная зарплата	74
- дополнительная зарплата	15
3. Прочие расходы, в том числе:	166	14,6
- единый социальный налог	32
- расходы на содержание и эксплуатацию обор., цеховые, общехоз., коммерческие расходы.	134
ИТОГО полная себестоимость	1136	100

Расчет отпускной и розничной цены.

а) Отпускная цена определяется как сумма цены предприятия и налога на добавленную стоимость (НДС).

Ц_отп = Ц_п + НДС

Цена предприятия это сумма себестоимости и плановой прибыли предприятия:

Ц_п = С_п + П_пл (руб.)

Плановая прибыль принимается 30 % от себестоимости и составляет:

П_пл = 0,3 · 1136 = 341 (руб.)

тогда

Ц_п = 1136 + 341 = 1477 (руб.)

НДС составляет 20 % от цены предприятия :

НДС = 0,2 · Ц_п (руб.)

НДС = 0,2 ·1476 = 295 (руб.)

Тогда

Ц_отп = 1477 + 295 = 1772 (руб.)

б) Розничная цена определяется как :

Ц_розн = Ц_отп + Н_торг (руб.),

где Н_торг - наценка торговых организаций, она составляет 25 % от отпускной цены предприятия

Н_торг = 0,25 · Ц_отп (руб.)

Н_торг = 0,25 · 1772 = 443 (руб.)

тогда

Ц_розн = 1772 + 443 = 2215 (руб.)

Технико-экономические показатели.

Технико-экономические показатели проектируемого ФПУ и аналога приведены в таблице

Таблица. Технико-экономические показатели

Наименование показателей, ед. измерений	Условные обозначения	Требования Т.З.	Проектир. ФПУ ДЦВ	Аналог ФПУ КВ
1. Динамический диапазон, дБ.	D	? 50дБ	60	40
2. Диапазон частот, МГц.	F	150 ч 450	150 ч 450	1,5 ч 10
3. Используемая длина волны, мкм.	л	1,3	1,3	1,3
4. Элементная база(тип микросх)			М45121-2	--
5. Время наработки на отказ , ч.	Т		50.000	50.000
6. Потребляемая мощность, мВт.	Р		260	200
7. Габариты, мм.			90Ч55Ч30	100Ч50Ч35
8. Масса, кг.	М		0,45	0,5
9. Отпускная цена, руб.	Цопт.		1772	--

7.4 Анализ технико-экономического расчета

В результате проведения технико-экономического расчета был сделан анализ себестоимости разрабатываемого ФПУ и сравнение его основных технических характеристик с коротковолновым аналогом “Базис - 5”.

Все расчеты сведены в таблицу. Калькуляция себестоимости изделия показала, что наибольший удельный вес затрат приходится на материальные затраты - 77,6 % . Поэтому снижение себестоимости связано со снижением цен на детали. Единственным путем, которым это можно осуществить, является улучшение технологичности производства.

Внедрение в эксплуатацию нового ФПУ открывает возможность для освоения нового диапазона с частотой - 450 МГц, что не мало важно при нынешней плотности загрузки линий связи.

Заключение.

Основными элементами при построении волоконно-оптической линии связи являются: усилитель модулятор, лазерный или светодиодный излучатель, волоконно-оптический кабель, фотоприемное устройство. ВОСПИ, используемые для передачи информации, не должны ухудшать характеристики электрических сигналов, т.е. удовлетворять заданному динамическому и частотному диапазонам.

Для удовлетворения этих требований всей ВОСПИ необходимо обеспечить их выполнения каждым элементом ВОСПИ: лазерным излучателем, УМ, ВОК, ФПУ.

В данном дипломном проекте разработано фотоприемное устройство, обеспечивающие необходимые требования: динамический диапазон ? 60 дБ, малые собственные шумы.

Технико-экономический расчет показал, что разработанное фотоприемное устройство целесообразно для внедрения в эксплуатацию.

Литература

1. Р.Р. Убайдулаев “Волоконно-оптические сети”. - М., “Эко - трендз”, 2000 г.

2. Э.А. Швецов, М.Е. Белкин “Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи” - М., “Радио и связь” 1992 г.

3. Методические указания по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов, ЛЭИС, 1985 г.

4. П.К. Чео “Волоконная оптика” - М., Энергоиздат, 1988 г.

5. Д. Гауэр “Оптические системы связи” - М., “Радио и связь”, 1989 г.

6. Под редакцией У. Генича “Техника оптической связи фотоприемника” - М., “Мир” , 1988 г.

7. С. Гонда, Д. Сэко “Оптоэлектроника в вопросах и ответах” - Л., Энергоиздат , 1989 г.

8. Н.А. Гроднев, С.М. Верник “Линии связи”. - М., “Радио и связь” , 1988 г.

9. Г.В. Войшвилло “Усилительные устройства” - М., “Радио и связь” , 1989 г.

10. Методические указания по разработке вопросов охраны труда в дипломных проектах, ЛЭИС, 1982 г.

11. Н.И. Бакланов и др. “Охрана труда на предприятиях связи” - М., “Радио и связь”, 1985 г.

12. Т. Окоси и др. “Волоконно-оптические датчики”. - Л., Энергоиздат, 1991 г.