Модуль управления устройства обработки сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Технический Университет

имени Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Факультет: ЭИУК

Кафедра: ЭИУ1-КФ

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по курсу

«Конструкторско-технологическое проектирование»

Тема:

«Модуль управления устройства обработки сигнала»

Студент____________ Картинкин Е.А. __________ Группа РПД-81

Руководители проекта__________ (Драч В.Е., Лоскутов С.А..)

Калуга 2012



1. Введение

Целью курсового проекта является разработка комплекта конструкторско-технологической документации. В проекте рассматривается модуль управления сигналом, выпускаемый на базовом предприятии ФГУП КНИРТИ.

Конструкторская часть включает в себя построение схемы электрической принципиальной и структурной схемы, сборочный чертеж модуля. Так же конструкторская часть включает необходимые расчеты: расчёт на механические нагрузки (удар, вибрация), тепловой расчёт, расчет надежности.

Технологическая часть включает в себя разработку технологического процесса сборки модуля с описанием применяемой технологической оснастки, и аттестацию получившегося технологического процесса.

В настоящее время ФНПЦ ФГУП «КНИРТИ» является головным предприятием в Российской Федерации по созданию авиационных систем, комплексов, средств РЭБ и авиационных комплексов РЭБ пятого поколения.
Многолетний опыт работы и исследований, производственная база, имеющиеся научно-технические наработки и кадровый состав ФНПЦ ФГУП «КНИРТИ» позволяют на самом высоком научно-техническом уровне вести разработку и изготовление современных многофункциональных авиационных систем, комплексов, средств радиоэлектронной борьбы, предназначенных для оснащения различных летательных аппаратов российских и зарубежных заказчиков.



2.Конструкторская часть

2.1 Назначение устройства

Узел УМПР является устройством управления модуля 3МПР16 и предназначен для управления:

- входными переключателями в приборах СКУ2-52 ИБСТ.467741.029;

- фиксированными аттенюаторами 20 дБ в приборах СКУ2-52;

- входными переключателями в приборах ПДАМ-52 ИБСТ.468343.178;

- фиксированными аттенюаторами 20 дБ в приборах ПДАМ-52.

Управление узлом осуществляется сигналами КМОП уровня, поступающими от прибора ИМПР ИБСТ.468361.150, который выполняет функции интерфейса модуля 3МПР16 и осуществляет сопряжение модуля с центральным процессорным модулем 3МЦМ75 по КОИ стандарта RS-485 и линиям асинхронных сигналов.

1.	Количество входных сигналов	10
2.	Диапазон изменения амплитуды входных сигналов	(8,50,6) В
3.	Длительность входных сигналов	(0,1 - 300) мкс или непрерывный
4.	Период следования входных сигналов	(1 - 10000) мкс
5.	Вид информации об измеренной амплитуде входных сигналов	8 - разрядный двоичный код, 2 канала
6.	Задержка формирования кода амплитуды относительно заднего фронта входных сигналов	не более 0,3 мкс
7.	Напряжение питания	+5В, -5 В, +9 В, -9 В
8.	Потребляемая мощность	4Вт
9.	Максимальный выходной ток выходных сигналов, не более	20мА
10.	Масса не более	0.3 кг

2.2 

2.2 Описание принципа функционирования

обработка сигнал усилитель модуль

Работу и принцип действия узла УМПР поясняет схема электрическая принципиальная узла. Узел представляет собой логическое устройство, которое по функциональному назначению можно разбить на три части:

– входная приемная часть для сопряжения узла с интерфейсом модуля, прибором ИМПР, - микросхемы буферных усилителей-формирователей DD1, DD2 и DD4;

– логическая схема для формирования логики работы сигналов управления в различных режимах работы модуля 3МПР16 - микросхема ПЛИС DD5;

– выходные ключи для управления СВЧ приборами - микросхемы аналоговых ключей-коммутаторов с цифровым управлением DA1…DA18.

На входы узла УМПР поступают логические сигналы и коды управления и асинхронные сигналы от прибора ИМПР. Для предотвращения выхода из строя входных буферов микросхем DD1, DD2 и DD4, в случае разрыва соединений с прибором ИМПР, входы этих микросхем через резисторы 10 кОм (резисторные сборки D1 и D2) подсоединены к корпусу. Неиспользуемые входы цифровых микросхем DD1…DD4 также, для предотвращения выхода из строя входных буферов микросхем, подсоединены к корпусу.

С выходов буферных усилителей-формирователей DD1, DD2 и DD4 сигналы управления поступают на входы микросхемы ПЛИС DD5. В программируемой логической матрице DD5 расшифровываются входные коды («NA» и «NB») и формируются логические сигналы управления для различных режимов работы модуля 3МПР16 в зависимости от состояния входных сигналов и кодов управления и асинхронных сигналов, поступающих на вход узла от прибора ИМПР.

С выходов микросхемы ПЛИС DD5 логические сигналы управления поступают на входы микросхем аналоговых ключей-коммутаторов с цифровым управлением DA1…DA18. В микросхемах ключей-коммутаторов формируются выходные аналоговые управляющие сигналы для управления СВЧ приборами модуля 3МПР16 в зависимости от состояния логических сигналов управления на входах этих микросхем. С выходов микросхем DA1…DA18 выходные аналоговые управляющие сигналы поступают на выходы узла УМПР.

2.3 Обоснование выбора элементной базы

Выбор элементной базы осуществляется с учетом следующих основных требований:

· соблюдение климатических режимов работы устройства;

· обеспечения минимальных массогабаритных показателей устройства;

· адаптация под поверхностный монтаж,

· надежность элементов;

· стоимость;

· технические, конструкционные и эксплуатационные характеристики.

Основным элементом данного блока является ПЛИС, на основе которых осуществляются все требуемые функции обработки сигнала.

ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема) - это интегральные микросхемы, содержащие программируемую матрицу элементов логического И, программируемую или фиксируемую матрицу элементов логического ИЛИ и так называемые макроячейки. Макроячейки, как правило, включают в себя триггер, тристабильный буфер и вентиль исключающее ИЛИ, управляющий уровнем активности сигнала. Размерность матриц и конфигурация макроячеек определяют степень интеграции и логическую мощность ПЛИС.

Данное устройство необходимо спроектировать на базе ПЛИС, работающих с тактовой частотой до 200МГц, в диапазоне температур от -40 до +85°С, с напряжением питания +5В, способных работать с 16-ти разрядным кодом. Компонент должен быть поверхностно монтируемым.

Современная промышленность предлагает широкий ассортимент ПЛИС различных компаний. Рассмотрим наиболее распространённые и доступные семейства ПЛИС: XC95144 (Xilinx), ACEX 1K (Altera) и SX-A (Actel).

	XC95144 pq100	ACEX 1K	SX-A
Число системных вентилей	от 15000 до 200000	от 10000 до 100000	от 8000 до 72000
Число логич. элементов LEs	от 432 до 5282	от 576 до 4992	от 512 до 4024
Напряжение питания	2.5	2,5 В	2,5-5 В
Максимальная тактовая частота (МГц)	200	250	350
Максимальный рабочий диапазон температур	от -40 до +125°С	от -40 до +125°С	от -40 до +125°С
Количество программирований	многократное	многократное	однократное
Блочная ОЗУ, бит	от 16 384 до 57 344	от 24576 до 106496	-
Количество блоков ОЗУ	от 8 до 72	от 12 до 52	-
Макс. число пользовательских контактов	От 100 до 160	от 136 до 333	от 130 до 360

Рассмотрим наиболее подходящие для нашего устройства модели ПЛИС данных семейств: XC95144pq100 (Xilinx), EP1K100 (Altera) и A54SX72A (Actel). Составим сравнительную характеристику данных ПЛИС по наиболее важным для нас параметрам:

	XC95144- 10PQ100	EP1K100	A54SX72A
Число системных вентилей	200000	100000	72000
Число логич. элементов LEs	5282	4992	4024
Напряжение питания	2,5 В	2,5 В	2,5 В
Максимальная тактовая частота (МГц)	200	250	350
Максимальный рабочий диапазон температур	от -40 до +125°С	от -40 до +125°С	от -40 до +125°С
Количество программирований	многократное	многократное	однократное
Блочная ОЗУ, бит	57 344	106496	-
Количество блоков ОЗУ	72	52	-
Макс. число пользовательских контактов	284	333	360
Cовместимость с шиной PCI 66 МГц	Да	Да	Да
Тип корпуса	100-pin PQFP	208-pin PQFP;	256-pin FineLine BGA
Цена, руб	1700	2220	3400

Как видно из таблицы ПЛИС A54SX72A имеет слишком высокую стоимость, и использовать его экономически не выгодно. Из оставшихся вариантов наиболее оптимальным будет ПЛИС XC95144-10PQ100. Она дешевле EP1K100, и при этом его характеристики полностью удовлетворяют заданным требованиям.

Для хранения конфигурации ПЛИС XC95144 при отключении питания фирма «Xilinx» выпускает две серии конфигурационных ПЗУ: однократно программируемые последовательные ПЗУ серии XC95144-5C (5 В и 3,3 В версии); перепрограммируемые в системе последовательно-параллельные ПЗУ серии XC95144-3C (3,3-В версия).

Конфигурационный файл, предназначенный для загрузки в ПЛИС, загружается в ПЗУ XC95144-3C посредством стандартного канала JTAG. Максимальный объем ПЗУ серии XC95144-3C составляет 16 Мб. При загрузке ПЛИС, требующих большего обьема конфигурационного файла, осуществляется последовательное каскадирование ПЗУ до наращивания необходимого объема.

Для кристалла XC95144 фирма «Xilinx» рекомендует использовать ПЗУ XC17S200A (однократно программируемые последовательные ПЗУ) и XC95144-3C(перепрограммируемые в системе последовательно-параллельные ПЗУ).



Основные характеристики ПЗУ для семейства Spartan-II на кристалле XC95144.

Прибор	Емкость памяти [бит]	Корпус	Напряжение питания
		PD-8	VO-8	SO-20	VQ-44
Однократно программируемые последовательные ПЗУ
XC17S200A	1 679 360	Ч	Ч		Ч	3.3 В/5 В
Перепрограммируемые в системе последовательно-параллельные ПЗУ
XC95144-3C	2 097 152			Ч	Ч	3.3 В
XC95144-3CL	4 194 304			Ч	Ч	3.3 В

Для хранения конфигурации ПЛИС выберем ПЗУ XC95144-3CL, так как эти ПЗУ перепрограммируемые и имеют большую емкость памяти. Для достижения необходимого объема памяти потребуется последовательное каскадирование двух ПЗУ XC95144-3CL. Цена данной ПЗУ 1000р. Если мы выбрали бы ПЛИС EP1K100, то цена рекомендуемой фирмой Altera ПЗУ составляла бы 1500р, что экономически не выгодно.

Таким образом, выбор ПЛИС и ПЗУ фирмы «Xilinx» является экономически выгодным, и при этом характеристики полностью удовлетворяют заданным требованиям.

Для преобразования входных сигналов КМОП-уровня устройству необходимы микросхемы буферных усилителей формирователей. Основные требуемые параметры для микросхем: напряжение питания 2,7ч5,5 В; ток потребления 10 мА; температурный диапазон от -40 до +85°С. Данными параметрами обладает микросхема 1554АП5ТБМ.

Для преобразования выходных сигналов КМОП-уровня устройству необходимы микросхемы аналоговых ключей коммутаторов с цифровым управлением. Основные требуемые параметры для микросхем: напряжение питания 2,7ч5,5 В; ток потребления 10 мА; температурный диапазон от -40 до +85°С. Данными параметрами обладает микросхема ADG433 в качестве таких преобразователей используем ADG433BR и ADG432BR, обеспечивающих наилучшие характеристики в данной схеме.

На остальные элементы схемы накладывались в первую очередь ограничения по массогабаритным показателям, а также по типу печатного монтажа (в модуле применен планарный монтаж, сборка модуля производится на автоматизированной установке).

Выбранные планарные конденсаторы фирмы «EPCOS» и резисторы фирмы «Bourns» обладают высокой технологичностью при сборке модуля, а также всеми необходимыми техническими характеристиками.

На плату устанавливаются 1 разъём для подключения блока к другим устройствам. Основные требования, предъявляемые к разъёму - это прежде всего надежность, устойчивость к механическим нагрузкам (вибрация), климатические требования (нормальная работа при температура от минус 60 до плюс 70), а так же тип вилки. Выберем вилку 22 - угловая розетка (с изогнутыми контактами). Для наших требований подойдет разъем СНП34С-135/132Х9,4Р-22-В отвечающий всем нашим необходимым требованиям.

2.5 Расчёт на действие механических нагрузок

2.5.1 Расчёт платы на действие вибрации

В процессе производства, эксплуатации и хранения РЭА могут подвергаться тем или иным механическим воздействиям. Качественно все механические воздействия делятся на вибрационные, ударные и инерционные (линейные). Вибрация - длительный знакопеременный процесс. В результате воздействия механических нагрузок могут иметь место различные повреждения РЭС: нарушение герметичности, полное разрушение корпуса РЭА или отдельных его частей вследствие механического резонанса или усталости, обрыв монтажных связей, отслоение печатных проводников, отрыв навесных ЭРЭ, поломка керамических и ситалловых подложек, временный или окончательный выход из строя разъемных и неразъемных соединений, изменение паразитных связей и т.д.

Различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность. Вибрационная устойчивость - свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность - прочность при заданной вибрации и после ее прекращения. Целью расчета конструкции РЭА при действии вибрации является определение действующих на элементы изделия максимальных перегрузок и перемещений.

Периодическая вибрация характеризуется спектром (диапазон частот), виброускорением, перегрузкой. Коэффициент перегрузки n, амплитуда виброускорения а, и виброперемещения S, связаны между собой соотношениями:

Исходные данные (согласно ТУ на изделие):

Размеры ПП:

Коэффициент перегрузки:

Материал ПП: стеклотекстолит СТАП-2-35-1,5;

Плотность стеклотекстолита:

Удельный вес стеклотекстолита:

Коэффициент Пуансона:

Модуль упругости:

Диапазон частот вибраций: 1 ч 25Гц

Расчёт:

1. Определяем частоту собственных колебаний при условии равномерного нагружения по поверхности ПП ЭРЭ:

2.

, где ;



, - масса ЭРЭ и ПП соответственно

- коэффициент, зависящий от способа закрепления ПП;

- наибольший размер длины платы.

, где

- коэффициент Пуассона материала ПП;

- модуль упругости материала ПП;

h - толщина ПП;

- удельный вес материала ПП.

Выбираем способ закрепления ПП: защемление по 2 сторонам ПП. Коэффициент в этом случае считается следующим образом:

Найдем :

Определяем вес ЭРЭ:

Микросхемы - 1,2г

ПЛИС-3г

Конденсаторы - 1,2г

Разъем - 35г Резисторы - 0,15г

3. Находим амплитуду колебаний (прогиб) ПП на частоте при заданном коэффициенте перегрузок n.



4. Определяем коэффициент динамичности , показывающий, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний на частоте , отличается от амплитуды на частоте :

- показатель затухания колебаний (принимаем).

5. Находим динамический прогиб ПП при её возбуждении с частотой

;

6. Определяем эквивалентную прогибу равномерно распределённую динамическую нагрузку

Максимальный распределённый изгибающий момент, вызванный этой нагрузкой:

7. Находим максимальное динамическое напряжение изгиба ПП

8. Проверяем условие вибропрочности:

Где - предел выносливости материала ПП (для стеклотекстолита );

- допустимый запас прочности для стеклотекстолита.

Следовательно, условие вибропрочности выполнено.

2.5.2 Расчёт на воздействие удара

Ударные воздействия характеризуются формой и параметрами ударного импульса.

Ударные импульсы могут быть полусинусоидальной, четвертьсинусоидальной, прямоугольной, треугольной и трапециевидной формы. Максимальное воздействие на механическую систему оказывает импульс прямоугольной формы. Параметрами ударного импульса являются:

- длительность ударного импульса ()

- амплитуда ускорения ударного импульса ().

Целью расчета является определение ударопрочности конструкции при воздействии удара.

Ударный импульс действует только в течение времени . Величина получила название условной частоты импульса.

Исходными данными для расчета конструкции

на ударопрочность являются:

- параметры ударного импульса () и ().

- параметры конструкции

- характеристики материалов конструкции или собственная частота колебаний механической системы.

Исходные данные (согласно ТУ на изделие):

;

;

Расчёт:

1. Определим условную частоту ударного импульса

2. Определим коэффициент передачи при ударе

Для прямоугольного импульса:

Где - коэффициент расстройки

Находим ударное ускорение

относительное перемещение

3. Проверяем выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

- Для ЭРЭ ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. . Т.к. , что меньше , то для ЭРЭ условие ударопрочности выполняется.

- Для ПП с ЭРЭ

;

Следовательно, условия ударопрочности выполнены.

2.5 Тепловой расчёт

Целью расчета теплового режима является определение температуры нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необходимых для оценки надежности. Для предварительной оценки естественного воздушного охлаждения исходными данными являются:

· конструкторское исполнение РЭС;

· габаритные размеры стойки (блока), м

· мощность источников тепла внутри стойки (блока), Вт

По этим данным определяется удельная мощность, рассеиваемая в блоке.

Если мощность, рассеиваемая в блоках, примерно одинакова (различие не более 15%), то удельная мощность рассчитывается по формуле:

Где - мощность i-го источника тепла, Вт;

- габаритные размеры стойки (блока), м.

Для расчёта удобно сделать таблицу следующего вида:

Наименование ЭРЭ	Кол-во в изделии	Ток, потребляемый МС, mА	U, В	Р, Вт	Максимальная рабочая температура t, 0C
МС:
ADG432BR	8	30	5	0.15	85
ADG432BR	4	30	5	0.15	85
ADG433BR	6	30	5	0.15	85
1554АП3 ТБМ	1	15	5	0.075	125
1554АП5 ТБМ	2	20	5	0.1	125
1554ЛН1 ТБМ	1	10	5	0.05	125
XC95144-10PQ100I	1	24	5	0.12	85
Резисторы:
САТ16-103J4LF	6	6.8	9	0.062	125
САТ16-103J2LF	6	6.8	9	0.062	125
САТ16-103J8LF	2	6.8	9	0.062	125
CR0603-FX-1200	2	11	9	0.1	155
CR0805-FX-60R4	4	13.8	9	0.125	155
Конденсаторы:
К10-50в	47				125
Итого				1.206

Пусть блок, в который помещается разрабатываемый модуль, имеет следующие размеры:

Тогда

Предварительная оценка теплового режима РЭС производится по диаграмме, где - допустимый нагрев внутри блока; - допустимая температура зон внутри блоков; - температура окружающей среды.

При заданных и на диаграмме находим соответствующую точку:

При этом возможны следующие случаи:

1. Найденная точка лежит выше линии (шасси вертикальное) или линии (шасси горизонтальное). В этом случае режим не теплонагруженный и возможна герметичная конструкция стойки (блока).

2. Точка на диаграмме попадает в область, лежащую между линиями и или линиями или (шасси вертикальное). В этом случае возможно использование перфорированных кожухов (корпусов) и необходимо провести расчет естественного охлаждения блока с перфорированным кожухом.

3. Точка на диаграмме лежит ниже линии (горизонтальное расположение шасси) или линии (вертикальное расположение шасси). В этом случае требуется применение СОТР с принудительным охлаждением. На этом предварительная оценка тепловой нагрузки завершена.

Точка лежит выше . В этом случаем режим не теплонагруженный и возможна герметичная конструкция блока с размерами .

2.6 Расчёт надёжности

Надежность - свойство электронной аппаратуры выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортирования

Ресурс - продолжительность работы ЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации.

Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности ЭА, называется отказом.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения подразделяют на внезапные (катастрофические) и постепенные. Постепенные отказы характеризуются временным изменением одного или нескольких параметров, внезапные -- скачкообразно изменяющимися.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые.

По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся - многократно возникающий сбой одного и того же характера.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным на логической схеме надежности. Элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным параллельно.

1. В общем случае интенсивность отказов конкретного ЭРЭ определяется как произведение и ряда поправочных коэффициентов:

Где:

- справочное значение интенсивности отказов конкретного ЭРЭ;

Поправочные коэффициенты, находящиеся в зависимости от условий эксплуатации ЭРЭ и степени их сложности, определяются по соответствующим таблицам справочников.

При расчётах используются следующие коэффициенты:

- коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки и температуры окружающей среды;

- коэффициент эксплуатации, зависящий от условий эксплуатации;

- коэффициент, зависящий от величины номинальной мощности;

- коэффициент, зависящий от величины номинального сопротивления;

- коэффициент, зависящий от величины номинальной ёмкости;

- коэффициент, зависящий от количества задействованных контактов;

- коэффициент, зависящий от количества сочленений-расчленений;

Для удобства чтения данного расчёта и вычислений, данные о коэффициентах и интенсивностях отказов сведём в следующую таблицу:

Наименование ЭРЭ	Кол.в изд.	Кол. конт.	0 106, 1/ч	Кн	КЭ	a1* a2* a3	i 10-6, 1/ч
Микросхемы
ADG432BR	8	16	0,45	1,1	2	4.698	4.65
ADG432BR	4	16	0,45	1,1	2	4.698	4.65
ADG433BR	6	16	0,45	1,1	2	4.698	4.65
1554АП3 ТБМ	1	18	0,45	1,3	2	4.698	5.49
1554АП5 ТБМ	2	18	0,45	1,3	2	4.698	5.49
1554ЛН1 ТБМ	1	18	0,45	1,2	2	4.698	5.07
XC95144-10PQ100I	1	100	0,4	1,7	2	4.698	6.38
Резисторы:
САТ16-103J4LF	6	16	0,01	0,7	2	4.698	0.06
САТ16-103J2LF	6	16	0,01	0,7	2	4.698	0.06
САТ16-103J8LF	2	16	0,01	0,7	2	4.698	0.06
CR0603-FX-1200	2	4	0,01	0.7	2	4.698	0.06
CR0805-FX-60R4	4	4	0,01	0.7	2	4.698	0.06
Конденсаторы:
К10-50в-Н20-0,1мкФ±10%	38	2	0,05	0.4	2	4.698	0.18
К10-50в-Н20-0,033мкФ±10%	6	2	0,05	0.4	2	4.698	0.18
Вилки:
DHR-45M	135	25	0,20	1,58	2	4.698	2.96
Плата	1		0,21		2	4.698	1.97
Пайка автоматическим способом	360		0,002	1,1	2	4.698	0.02
Пайка ручным способом	100		0,02	1,1	2	4.698	10.3

Исходя из данных, приведенных в таблице, вычисляем интенсивность отказов изделия:

;

2. Расчёт наработки на отказ



3. Расчёт вероятности безотказной работы изделия

,

где t - интервал времени, за который требуется определить вероятность безотказной работы (ч).

Например, зададимся сроком в 1 год:

;

;

;

Вывод: Расчет наработки на отказ 19000 часов.

Размещено на Allbest.ru