Зміст

Вступ

1. Вибір елементної бази ЕА з урахуванням заданих вимог

1.1 Вибір ЕБ з урахуванням схемно-функціонального призначення та надійно-експлуатаційних показників

1.2 Вибір ЕБ з урахуванням конструкторсько-технологічних та економічних показників

2. Проектування спеціального електрорадіоелемента

2.1 Загальні положення

2.2 Методика проектування спеціального ЕРЕ

2.3 Функціональні та конструктивно-технологічні параметри кварцового резонатору

3. Спеціальні розрахунки з вибору ЕБ і проектування заданого ЕРЕ

3.1 Термокомпенсація заданого фрагмента схеми ЕА

3.2 Розрахунок допусків основного параметра заданого ЕРЕ з урахуванням впливу вологості, температури та старіння

Висновки

Вступ

Дана курсова робота націлена на закріплення знань у галузі сучасної елементної бази (ЕБ), спеціальних елементів та пристроїв функціональної електроніки, а також отримання практичних навиків використання, та застосування вказаних елементів та проектування спеціальних типів для електронних апаратів різного призначення з урахуванням технічних, експлуатаційних та економічних характеристик.

Вхідною інформацією для цієї курсової роботи є принципова електрична схема та її експлуатаційні характеристики.

Усі супутні розрахунки під час виконання роботи передбачається проводити із використанням ЕОМ. Спеціальні розрахунки, які передбачені у роботі, присвячені термокомпенсації заданого фрагменту схемотехнічної реалізації ЕА, а також аналізу відхилень та забезпеченню стабільності основних параметрів спроектованих елементів. Методику розрахунку спеціального ЕРЕ слід реалізувати у вигляді програми та навести приклад розрахунку.

1. Вибір елементної бази ЕА з урахуванням заданих вимог

1.1 Вибір ЕБ з урахуванням схемно-функціонального призначення та надійно-експлуатаційних характеристик

Вимоги, що ставляться до параметрів, властивостей та характеристик електрорадіоелементів, і, як наслідок, обмеження на їхні типи, визначаються функціональним призначенням схем та ланцюгів, у яких вони використовуються. При виборі елементної бази до певного ЕА також необхідно враховувати умови експлуатації цього ЕА. Для даного варіанту курсової роботи задані наступні умови експлуатації:

- умови експлуатації - літакові;

- відносна вологість - 90% при 40° С;

- висота над рівнем моря - до 20 км;

- діапазон робочих температур: -60 … +80° С.

Вибір елементної бази слід виконати для певної частини схеми любительської УКВ радіостанції (принципова схема наведена у додатку

Вибір ЕБ ЕА з урахуванням надійно-експлуатаційних показників заснований на схемно-функціональному аналізі та відповідних обмеженнях типів елементів і представляє собою ітераційний процес. На кожному кроці цього процесу проводиться розрахунок наступного основного показника надійності ЕБ ЕА

(1.1)

де - сумарна інтенсивність відмов вибраного комплексу компонентів ЕБ ЕА;

- відповідно кількість в ЕА: резисторів, конденсаторів, напівпровідникових приладів, моточних виробів, інших елементів схеми (фільтрів, ліній затримки, елементів пам'яті, пристроїв індикації, пристроїв функціональної електроніки, комутуючих пристроїв, джерел живлення, тощо);

1/год - інтенсивність відказів з'єднання пайкою;

- інтенсивність відказів у номінальному режимі і-го відповідно: резистора, конденсатора, напівпровідникового приладу, моточного виробу, іншого елемента схеми;

- кількість виводів і-го відповідно: резистора, конденсатора, напівпровідникового приладу, моточного виробу, іншого елемента схеми ;

- коректуючи коефіцієнти, які враховують умови експлуатації ЕА.

Поправочні коефіцієнти, що залежать від Кн (коефіцієнта навантаження) та t (температури) відповідно для резисторів, конденсаторів, напівпровідникових приладів, моточних виробів та інших елементів схеми ЕА

;

;

;

;

Ітераційний процес базується на величину сумарної інтенсивності відказів впливають значення коефіцієнтів навантаження Кн компонентів ЕБ ЕА, та можна змінювати, вибираючи інші типи елементів ().

На цьому етапі мета курсової роботи полягає у забезпеченні оговореного співвідношення між та величиною часу наробки на відмову ЕА, яку задано.

Час наробки на відмову складає 24 000 годин.

При коефіцієнті навантаження на елементи kн=0,5 в результаті розрахунків отримали час наробки на відмову приблизно 76563 годин. Що значно перевищує час встановлений умовами експлуатації. Збільшення коефіцієнту навантаження до kн=1 значно зменшило час наробки, проте отримане значення 28507 все ще залишається досить великим. Тому коефіцієнт навантаження для резисторів і конденсаторів було збільшено до значення kн=1,2 , а для діодів та транзисторів kн=1,1 . Дані дії дозволили одержати часу наробки на відмову рівним 25800, що задовольняє умові Т₀ [T_0З; T_0З+20%].

1.2 Вибір ЕБ з урахуванням конструктивно-технологічних та економічних показників

Конструктивно-технологічні показники складаються з конструктивних параметрів ЕБ ЕА (- сумарна маса та об'єм комплексу) і технологічних параметрів (i = 1,…5).

Сумарна маса ЕБ ЕА визначається формулою

 (1.2)

де - маса і-го елемента відповідно: резистора, конденсатора, напівпровідникового приладу, моточного виробу, іншого елемента схеми.

г

Сумарний об'єм знаходиться за наступною формулою

(1.3)

де - об'єм і-го елемента відповідно: резистора, конденсатора, напівпровідникового приладу, моточного виробу, іншого елемента схеми.

= 3392,205

Технологічні показники визначаються наступним чином. Коефіцієнт застосування компонентів ЕБ ЕА () має вигляд

(1.4)

де - сумарна кількість типорозмірів оригінальних компонентів ЕБ ЕА для усіх п'яти типів ( резисторів, конденсаторів і т.д.);

- сумарна кількість типорозмірів компонентів ЕБ ЕА для усіх п'яти типів компонентів.

К1=1-9/12=0,25

Коефіцієнт повторення компонентів ЕБ ЕА () визначається за формулою

(1.5)

де - загальна кількість компонентів комплексу ЕБ ЕА.

К2=1-12/33=0,64

Коефіцієнт повторення мікросхем і мікрозбірок у ЕБ ЕА () має вигляд

(1.6)

де - кількість типорозмірів корпусів мікросхем і мікрозбірок в ЕБ ЕА;

- загальна кількість мікросхем і мікрозбірок в ЕБ ЕА.

К3=1-2/2=0

Коефіцієнт установочних розмірів компонентів ЕБ ЕА () представляється виразом

(1.7)

де - кількість видів установочних розмірів компонентів ЕБ ЕА.

К4=1-8/33=0,76

Коефіцієнт автоматизації і механізації підготовки компонентів ЕБ ЕА до монтажу () можна описати наступним чином

(1.8)

де - кількість компонентів ЕБ ЕА, підготовка котрих до монтажу здійснюється механічним та автоматизованим методом.

К5=31/33=0,94

Економічний показник представляє собою сумарну вартість усіх компонентів ЕБ ЕА ()

(1.9)

де - вартість і-го відповідно: резистора, конденсатора, напівпровідникового приладу, моточного елемента, іншого елемента схеми.

грн..

Результати програмного розрахунку цього етапу вибору ЕБ наведені у таблицях 1-3.

Таблиця 1. Загальна маса елементів

Тип ЕРЕ	n	Масса 1шт,гр	? масса,гр	Общая масса, гр
Резистор СП2-5-0,5	1	15	15	24,67
Резистори С1-4	12	0,18	2,16
Конденсатори К53-1A-16В 0,1мкФ ± 5%	7	0,6	4,2
Конденсатори К10-23-16В ± 5%	5	0,36	1,8
Діод КД521А	1	0,25	0,25
Варикап КВ132А	1	0,3	0,3
Транзистор КТ3130-А9	1	0,3	0,3
Транзистор BF998	1	0,18	0,18
Фільтр LT455GW	1	6	6
Мікросхема MC3371	1	1,5	1,5

Таблиця 2. Загальний об'єм елементів

Тип ЕРЕ	n	Об`єм 1шт, мм3	? об`єм, мм3	Загальний V,мм3
Резистор СП2-5-0,5	1	132	132	3392,20533
Резистори С1-4	12	8,591	103,092
Конденсатори К53-1A-16В 0,1мкФ ± 5%	7	60,288	422,016
Конденсатори К10-23-16В ± 5%	5	263,25	1316,25
Діод КД521А	1	10,76863	10,76863
Варикап КВ132А	1	24	24
Транзистор КТ3130-А9	1	94,985	94,985
Транзистор BF998	1	78,5	78,5
Фільтр LT455GW	1	616	616
Мікросхема MC3371	1	594,5937	594,5937

Таблиця 3. Загальна вартість елементів

Тип ЕРЕ	n	Вартість 1 шт, грн.	? вартість, грн	Загальна ?,грн
Резистор СП2-5-0,5	1	6,25	6,25	42,87
Резистори С1-4	12	0,13	1,56
Конденсатори К53-1A-16В 0,1мкФ ± 5%	7	0,35	2,45
Конденсатори К10-23-16В ± 5%	5	0,32	1,6
Діод КД521А	1	0,19	0,19
Варикап КВ132А	1	6,65	6,65
Транзистор КТ3130-А9	1	0,23	0,23
Транзистор BF998	1	1,71	1,71
Фільтр LT455GW	1	1,9	1,9
Мікросхема MC3371	1	20,33	20,33

2. Проектування спеціального електрорадіоелемента

2.1 Загальні положення

П'єзоелектричними називають фільтри, що складаються з п'єзоелектричного резонатора, індуктивностей і ємностей. Застосовуються в діапазоні частот від десятків кілогерц до 20 МГц. При роботі на гармоніках можуть застосовуватися до 100 Мгц. Фільтри відносяться до вузькосмугових із відносною смугою пропускання = 0.1% - 2%. Основна їх гідність - висока вибірковість і висока стабільність характеристик.

П'єзоелектричний резонатор - основний елемент фільтру, складається з п'єзоелектричної пластини з електродами і утримувачем.

У п'єзоелектричному резонаторі мають місце як прямий, так і зворотний п'єзоелектричні ефекти. Прямий п'єзоелектричний ефект полягає в тому, що при підведенні до п'єзоелементу механічної дії на гранях його виникають електричні заряди. Зворотний п'єзоелектричний ефект полягає в тому, що при підведенні електричної напруги до п'єзоелементу в ньому виникають механічні напруження. У якості п'єзоелектрика застосовуються кристали кварцу, кристали виннокислого калія і п'єзокераміки.

При розрахунку фільтрів п'єзоелектричний резонатор замінюється еквівалентною електричною схемою, що складається з послідовно з'єднаних індуктивності L_s, ємкості С_s і опору R_s, зашунтованих ємкістю С_р

а) б)

Рис.2.1

Послідовну ємкість C_s називають динамічною ємкістю, у відмінності від статичної ємкості C_р, що є ємкістю конденсатора, утвореного електродами з п'єзоелектричною пластиною.

Залежно від діапазону частот використовується той або інший тип коливань пластини. Для частот нижче 40 кГц застосовуються бруски з коливаннями вигину. Для частот 40 200 кГц використовуються пластини з повздовжніми коливаннями по довжині на основній частоті. У діапазоні 200 800 кГц застосовуються резонатори з коливаннями по довжині на гармоніках, а так само з коливаннями зсуву по товщині. У діапазоні 0,6 20 Мгц застосовуються резонатори з коливаннями зсуву по товщині на основній частоті і на гармоніках, а для частот вище 20 МГц - резонатори з коливаннями зсуву по товщині на гармоніках.

П'єзоелектрична пластина має прямокутну або круглу форму. Електродами є тонкі плівки металу, нанесені на великі грані пластини. Залежно від вимог до фільтру в ньому використовуються пластини різних зрізів. Зріз пластини кварцу визначається по куту розпилювання кристала п'єзоелектрики відносно його осей XYZ. Найбільш споживаними є зрізи XY, GT, AT, BT.

Еквівалентні параметри п'єзоелектричного резонатора розраховуються по формулах, залежно від типу коливання і зрізу. У таблиці 4 наведені формули для розрахунку параметрів резонатора з коливаннями зсуву по товщині. Як матеріал в даному випадку найчастіше використовується кварц. Товщина пластини t (см), площа пластини S (см²), частота f (МГц).

Таблиця 4

Характеристика	Зріз АТ	Зріз ВТ
Діапазон частот, МГц	0,6 20	5 20
Частота fs, МГц
Індуктивність Ls, Гн
Ємкість Cs, нФ|	10-2 . S . fs	0,263 . 10-2 . S . fs
Відношення ємностей	240	600
Температурний коефіцієнт Тс	2 . 10-4 на 1оС	-8 . 10-4 на 1оС

Схеми, що містять п'єзоелектричні резонатори і конденсатори називають вузькосмуговими. Еквівалентна електрична схема показана на рисунку (симетрична частина схеми не показана)

Рис.2.2

Ємність С₀₁ рівна сумі статичної ємкості резонатора C_p і ємкості додаткового конденсатора C_H , тобто

Ls і Cs - динамічні параметри кварцу.

Проаналізуємо схему, припускаючи, що втрати в елементах схеми відсутні. Частотні графіки опорів плечей дані в таблиці 6 для трьох випадків

1)С₀₁ < С₀₂ ;

2)С₀₁ = С₀₂;

3)С₀₁ > С₀₂

Таблиця 5

Нижче приведена схема дволанкового мостового фільтру

Рис.2.3

2.2 Методика проектування спеціального ЕРЕ

Послідовність розрахунку наступна:

1. Визначають параметри, які повинен мати спроектований ЕРЕ: смуга пропускання фільтру

= f_a - f_в,

середня частота настройки фільтру

,

опір навантаження R_н , мінімальне затухання на певній частоті;

2. Розраховують відносну смугу пропускання і відповідно їй обирають схему фільтру;

3. Обирають параметри С₀₁, С₀₂ та розраховують

;

4. Далі, відповідно до формул розраховують елементи фільтру

; (2.1)

; (2.2)

; (2.3)

; (2.4)

(2.5)

5. Розраховують параметри кварцового резонатору.

Довжина п'єзоелементів обчислюється по формулах:

x₁ = (1338,5/f) п₁ ± 0,5,

x₂ = (2541/f) п₂ ± 0,5, (2.6)

де х₁ і х₂ - розрахункові значення ширини п'єзоелементу;

п₁ і п_{2 -}цілі числа.

Значення п₁ і п₂ вибираються так, щоб величини х₁ і х₂ збігалися, тобто х₁ рівнялося х₂ , або було близьким за значенням, остаточно прийняте значення ширини п'єзоелементу:

x= x₁± Д x₁ = x₂± Д x₂ , (2.7)

де Д х₁ і Д х₂ - відхилення обраного значення ширини елемента від розрахункових значень:

Д х₁ ?0,25*1338,5/f;

Д х₂ ?0,25*2541/f. (2.8)

Ширина п'єзоелементів визначається по формулі:

(2.9)

Частотний коефіцієнт п'єзоелементу розраховується по формулі:

 (2.10)

де - частотний коефіцієнт п'єзоелементу нескінченно більших його розмірах (тобто зневажаємо контурними коливаннями), що береться рівним 1660 кГцмм; f-частота.

Товщина п'єзоелементу визначається по формулі:

(2.11)

Розрахунок ведеться так само, як для п'єзоелементів зрізу ух1/+35°.

Програма, блок-схема та тестовий приклад розрахунку кварцового резонатору приведені у додатку 2,3,4 відповідно.

Програма, розроблена для розрахунку одно- та дволанкового мостового фільтру. Вона розраховує параметри самого фільтру і геометричні розміри прямокутного кварцового резонатору.

2.3 Функціональні та конструктивно-технологічні параметри кварцового резонатору

Кварцова сировина, використовувана промисловістю для виготовлення п'єзокварцевих пластин резонаторів по сортності ділиться на кілька груп.

1. Сорт «Екстра». До цього сорту відносяться кристали, їхні уламки або галька з монообластю, тобто бездефектною ділянкою кристала кварцу, від 30% і вище при вазі не менш 1000 г. Сорт «Екстра» прирівнюється до оптичного кварцу.

2. Сорт унікальний «А» -- кристали, їхні уламки або галька вагою понад 500 г, з монообластю від 15% і вище або 50% і вище при вазі не менш 300 г.

3. Сорт унікальний «Б» -- кристали, їхні уламки або галька вагою 150 г і вище, з монообластю від 15% і вище або 10% при вазі 1000 г і більше.

4. 1-й сорт -- кристали, їхні уламки або галька вагою від 100 г і більше, з монообластю 10% і вище.

5. 2-й сорт - кристали, їхні уламки або галька вагою понад 100 г, з монообластю 5%.

6. 3-й сорт, (маломірка). До цього сорту відносяться кристали кварцу, що мають хоча б одну природну грань і вагою від 30 до 100 г, а також що не мають природних граней вагою від 60 до 100 г, з монообластю 5% і вище.

Технологічний процес виготовлення кварцового резонатору можна розбити на такі процеси:

- орієнтація кристалу кварцу;

- розпилювання кварцу;

- шліфування та полірування кристалів кварцу;

- травлення кварцових пластин ;

- металізація кварцових пластин;

- настройка та зборка кварцових пластин.

3. Спеціальні розрахунки з вибору ЕБ і проектування заданого ЕРЕ

3.1 Термокомпенсація заданого фрагмента схеми ЕА

В процесі вибору ЕБ для ЕА часто виникає потреба у забезпеченні температурної стабільності окремих ланцюгів схеми, які є визначальними у формуванні якісних показників функціонування електронного апарату у заданому діапазоні температур із зберіганням відповідних характеристик і параметрів. Тому у даній роботі здійснюється термокомпенсація певного фрагмента схеми ЕА, заданого керівником роботи, з метою забезпечення більш стабільного функціонування ЕА. Для даного варіанту курсової роботи такий ланцюг має наступний вигляд (рис. 3.1):

Рис 3.1 Фрагмент схеми для термокомпенсації

Запишемо номінали елементів фрагменту схеми, для якого необхідно визначити умови термокомпенсації:

R= 33 кОМ

L= 0,68 мГн

C= 180 пФ

Запишемо функцію, яка буде описувати повний опір заданого ланцюга:

 (3.1.1)

Розділивши дійсну та уявну частини отримаємо

(3.1.2)

Беремо АЧХ цієї функції:

(3.1.3)

Продиференціюємо отримане рівняння по.

Умовою термокомпенсації є наступний вираз:

(3.1.4)

На основі рівняння (3.1.4) запишемо рівняння наступного вигляду:

(3.1.5)

де , , - температурні коефіцієнти резисторів та конденсаторів;

;

; (3.1.6)

.

Розрахунок проведемо для частоти 455 кГц, пам'ятаючи, що

.

Усі необхідні розрахунки проведемо у середовищі MathCAD 11.

Оскільки нам відомі резистор та конденсатор, що входять до даного фрагменту схеми, то ми можемо задатися значеннями ТКО та ТКЄ взявши їх з довідника:

1/°C, 1/°C.

Підставивши дані значення у розрахунок отримаємо необхідне значення ТКІ :

1/°C

3.2 Розрахунок допусків основного параметра заданого ЕРЕ з урахуванням впливу вологості, температури та старіння

Розрахунок допусків ведемо для одного з основних компонентів спеціального елементу - кварцового резонатора.

Рівнянням похибки заданого параметру ЕА у абсолютних відхиленнях з урахуванням впливу вологості, температури та старіння є

 (3.2.1)

де - відхилення і - го чинника під впливом вологості;

- температурний коефіцієнт і - го чинника;

- коефіцієнт старіння і - го чинника;

,- прирощення по температурі та терміну старіння.

Нехай для заданого вихідного параметру N визначений функціональний зв'язок виду:

де (і=1,n) - параметр і - го елементу.

Вказаний зв'язок може бути визначений у вигляді аналітичного виразу, тоді рівнянням похибки для вихідного параметру:

(3.2.2)

де - коефіцієнт впливу, який має вигляд:

(3.2.3)

Для спеціального елемента розраховуються температурні допуски відповідно до наступних положень:

За довідниковою літературою визначають температурні коефіцієнти , для усіх параметрів (і=1,n) , у заданому діапазоні температур.

Вважаючи розподіл похибки температурного коефіцієнта нормальним, знаходимо та , де, відповідно математичним очікуванням та половина поля допуску.

Тоді:

(3.2.4)

(3.2.5)

де г-коефіцієнт гарантійної надійності (г =0,857).

Температурний допуск та вихідний параметр визначаються :

(3.2.6)

де - заданий інтервал температур.

Параметр кварцового резонатору, це частота :

(3.2.7)

де - розмір кварцу;

- постійна пружність;

с-густина кварцу;



- рівняння похибки;

З довідника визначаємо температурні коефіцієнти та коефіцієнти на старіння:

Знайдемо математичне очікування ,,:

Знайдемо половини поля допуску ,,:



Знайдемо математичне очікування вихідного параметра:

Знайдемо ,,:

Допуск по температурі:

Допуск на старіння:

Допуск на вологість:

де - середина половини поля допуску,

=5.

Тоді :

Звідси

Тоді загальний допуск:

Висновки

В даній курсовій роботі було вибрано елементну базу УКВ радіоприймача з урахуванням заданих вимог. Спроектовано спеціальний ЕРЕ - смуговий фільтр на частоту 455 кГц, реалізований на кварцових резонаторах по мостовій схемі. Було проведено спеціальні розрахунки з вибору елементної бази електронних апаратів і проектування заданого ЕРЕ, які включали у себе термокомпенсацію заданого фрагменту схеми та розрахунок виробничих та експлуатаційних допусків основного параметра кварцового резонатору, що є одним з основних елементів заданого ЕРЕ.