Розробка металошукача з відображенням вихідного сигналу через АЦП на рідкокристалічний дисплей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Вивчення дисципліни «Цифрова схемотехніка» забезпечує професійну підготовку й базується на попередніх професійно-орієнтованих дисциплінах. Даний курсовий проект призначений для розвитку навичок добору й розрахунків електронних елементів, забезпечення їх працездатності й ремонту електронної апаратури.

Мета курсового проекту - придбання студентами вміння проводити вибір і розрахунки інтегральних мікросхем, підсилювальних каскадів, трансформаторів, RС - фільтрів й інших елементів.

Завданням курсового проекту є вміння роботи із сучасною апаратурою й придбання професійних навичок застосування допоміжної електронної апаратури при налагодженні електронних приладів.

У даному курсовому проекті розглядається розробка металошукача з виводом інформації на рідкокристалічний дисплей.

Металошукачами називають електронні пристрої, які виявляють присутність металу не контактуючи з ним (завдяки випромінюванню радіохвиль і уловлюванню вторинних сигналів), і, виявивши, інформує про цей факт оператора (звуковим сигналом, переміщенням стрілки і так далі).

При включенні приладу в пошуковій голівці створюється електромагнітне поле, яке поширюється в довкілля, будь то земля, камінь, вода, дерево, повітря. На поверхні металів, що потрапили в зону дії пошукової котушки під дією електромагнітного поля виникають так звані вихрові струми. Ці вихрові струми створюють власні зустрічні електромагнітні поля, що призводять до зниження потужності електромагнітного поля, що створюється пошуковою котушкою, що і фіксується електронною схемою приладу. Електронна схема металошукача обробляє отриману інформацію і сигналізує про виявлення металу.

1. Аналіз технічного завдання

Металошукачі - це електронні індукційні прилади, що дозволяють виявляти металеві предмети в нейтральній або слабо провідному середовищу, тобто в ґрунті, воді, стінах, в деревині, під одягом і в багажі, в харчових продуктах, в організмі людини і тварини, і так далі. Бурхливий розвиток мікроелектроніки зробив ці прилади компактними, надійними і дуже «інтелектуальними». Сфера застосування металошукачів помітно розширилася і, окрім чисто професійних і військових застосувань, стала охоплювати і область розваг, до яких відносяться «пошук скарбів» в широкому змісті цього виразу.

Різноманітні моделі металошукачів працюють на різних частотах. Це зв'язано з фізикою явища поширення електромагнітних хвиль. Так, металошукачі, які працюють на низьких частотах, можуть знаходити предмети глибоко, але великого розміру. При цьому на поверхні землі він не в змозі замітити металевого предмета. Якщо частота роботи металошукача висока, тоді прилади добре виявляють маленькі об'єкти, але не можуть знаходити предмети в глибині ґрунту.

По принципу роботи металошукачі мають наступний різновид:

Прилади типу «прийом-передача». В основі їх лежать дві котушки індуктивності - приймальна і передаюча, розташовані так, щоб сигнал, випромінюваний передавальною котушкою, що не просочувався в приймальню котушку. Коли поблизу приладу з'являється металевий предмет, то сигнал передавальної котушки пере-випромінюється їм у всіх напрямках і потрапляє в приймальню котушку, посилюється і подається на блок індикації.

· Переваги: відносно проста схемотехніка, широкі можливості для визначення типу виявленого об'єкту.

· Недоліки: складність виготовлення датчика, вплив мінералізації ґрунту, відносно невисока чутливість.

Індукційні металошукачі. Являють собою різновид приладів типу «прийом-передача», проте на відміну від останніх містять не дві, а тільки одну котушку, яка одночасно є і передавальною і приймальною. Основною трудністю при створенні подібних приладів є виділення вельми малого відбитого (наведеного) сигналу на тлі потужного переданого (випромінюваного).

· Переваги: простота конструкції датчика.

Прилади - вимірювачі частоти. В їх основі лежить LC-генератор. При наближенні металу до контуру його частота змінюється. Ця зміна фіксується різними методами:

1. Змішування частоти генератора з еталонною і вимірювання частоти биття.

2. Подача сигналу з генератора на систему ФАПЧ і вимір напруги в ланцюзі зворотного зв'язку.

· Переваги: простота конструкції датчика, проста схемотехніка.

· Недоліки: гірші можливості дискримінації виявлених об'єктів, мала чутливість.

Прилади, що фіксують зміну добротності коливального контуру, що входить до складу LC-генератора. При наближенні металевого предмета до котушки добротність контуру зменшується і амплітуда коливань на виході LC-генератора також зменшується.

· Переваги: простота конструкції, мала споживана потужність.

· Недоліки: низька температурна стабільність.

Імпульсні металошукачі - принцип роботи заснований на збудженні в зоні розташування металевого об'єкта імпульсних вихрових струмів і вимірі вторинного електромагнітного поля, яке наводять ці струми. В даному випадку, збудливий сигнал передається в котушку датчика не постійно, а періодично, у вигляді імпульсів. У провідних об'єктах наводяться затухаючі вихрові струми, які збуджують загасаюче електромагнітне поле. Поле, в свою чергу, наводить в котушці датчика загасаючий струм. Відповідно, залежно від провідних властивостей і розміру об'єкта, сигнал змінює свою форму і тривалість.

· Переваги: нечутливість до мінералізованого грунту, простота конструкції датчика.

· Недоліки: підвищене споживання енергії, слабкі можливості дискримінації.

У професійних металошукачі можуть поєднуватися кілька способів виявлення об'єктів.

По виконуваним задачам металошукачі поділяють на:

1. Ґрунтовий металошукач - призначений для пошуку скарбів, монет і ювелірних виробів. Як правило, побудований за індукційної технології. Має безліч налаштувань, DSP - процесор, дискримінатор металів - спеціальну функцію для визначення металу, з якого імовірно складається об'єкт в землі. Глибина виявлення об'єктів від 20 см до 1 метра.

2. Військовий металошукач (міношукач) - призначений для пошуку переважно мін. Як правило, побудований на принципі «прийом-передача». Має мінімум налаштувань. Глибина виявлення міни 20 см до 1 метра.

3. Глибинний металошукач - призначений для пошуку великих глибинних цілей, таких як скриню з золотом. Має дві рознесені один від одного котушки, або одну велику рамку з котушкою. Заснований на принципі «прийом-передача». Відмінною особливістю даного металошукача є те, що він реагує не тільки на метали, а й на будь-які зміни в глибині ґрунту (переходи від одного ґрунту до іншого, старі фундаменти будівель і тд.). Глибина виявлення об'єктів від 50 см до 3 метрів.

4. Доглядовий металошукач - ручний металошукач, який призначений для служб безпеки. Слугує для виявлення на тілі людини металевих предметів ( пістолетів, ножів). Дальність виявлення у такого металошукача складає до 25 см.

· Арочний ( рамочний) металошукач - доглядовий металошукач, використовується для контролю великих потоків людей, наприклад в метро, на вокзалах. Являє собою рамку, через яку проходить людина.

5. Магнітометр - призначений для пошуку феромагнітних предметів ( наприклад залізо). Даний вид металошукачів найкомпактніший і самий чутливий, оскільки пошукова голівка може поміститися на долоні.

2. Теоретична частина

2.1 Опис структурної схеми пристрою

Структурна схема пристрою зображена на рис. 2.1. Пристрій складається з таких блоків: пошукова котушка, пошуковий генератор, еталонний генератор, змішувач, фільтр, перетворювач частоті до напруги, АЦП, рідкокристалічний дисплей. Коли металевий предмет потрапляє у радіус скандувальної котушки, що складається із котушки індуктивності діаметром 16 см із 80 витків дротом 0,3 мм то одразу змінюється сигнал у пошукового генератора. Потім, за допомогою змішувача частота пошукового генератора зрівнюється з частотою еталонного генератора. З вихіда змішувача сигнал, за допомогою фільтра фільтрується і потрапляє на перетворювач з частоти до напруги. Потім сигнал йде на АЦП і виводиться на РКІ.

Рисунок 2.1 - Схема електрична структурна металошукача

2.2 Опис принципової схеми пристрою

Більшість різноманітних металевих предметів, монет, ювелірних виробів, які лежать в ґрунті на глибині від 10 сантиметрів до 1 метра можна з легкістю знайти за допомогою металошукача.

Тому, пропонується проста схема металошукача.

Рисунок 2.2 - Схема електрична принципова металошукача

Де видно, основний принцип діяльності металошукача, що заснований на видозміненні індуктивності котушки, під час внесення в її магнітне поле, випромінюване металевим предметом. В результаті зміна індуктивності призводить до зміни частоти скануючого генератора. Потім з допомогою змішувача частота скануючого генератора зрівнюється з частотою генератора еталонного. З виходу змішувача сигнал фільтрується і надходить на звуковий підсилювач і далі на навушники.

Провід, з'єднує котушку і плату - двожильний, екранований, довжиною приблизно один метр. Конденсатори C3, C2, C1 повинні бути з потенційно температурним меншим коефіцієнтом.

Пошуковий генератор складений із елементів R1, DD1.1, C2, C1, і скануючої котушки R1, яка з'єднана з генератором завдяки екрануючому кабелю. Її індуктивність під час внесення в магнітне поле L1 метала, змінюється і тому змінюється частота генератора.

Еталонний генератор складається із елементів C3, DD1.4, DD1.3, R6, R5, R4. Цьому генератору потребується робити приблизно на тій же частоті, що і пошуковий генератор.

Обидва генератора подають сигнали на змішувач, котрий зібраний на компоненті D1.2. Це логічний базовий компонент 2ИЛИ-НЕ, на виході у нього може бути висока степінь, лише у випадку, якщо на обох входах наявні низькі рівні. Сигнал з виходу змішувача відходить на фільтр, який зібраний на C4, R3. Фільтром не пропускається складову високочастотну сигналу.

Результатом роботи фільтра і змішувача є сигнал низькочастотний. Він підсилюється VT1 і відходить на перетворювач частоти до напруги, далі на АЦП і РКІ.

Резистор R2 призначається для монтажу гучності. Звуковий підсилювач заживлен прямо від батарейки, а від стабілізатора напруги DA1 - мікросхема DD1.

2.3 Опис аналого-цифрового перетворювача

Призначення АЦП КР572ПВ5 - перетворення напруги аналогового сигналу в цифрову форму для наступного відображення рівня сигналу цифровим індикатором. Прилад розрахований на спільну роботу з рідкокристалічним чотирирозрядним цифровим індикатором. Мікросхему КР572ПВ5 виготовляють за технологією КМОП.

Перетворювач (рис. 2.3) складається з аналогової та цифровий частин. Аналогова містить електронні вимикачі S1-S11, буферний ОП DA1, що працює у режимі повторювача, інтегратор на ОП DA2, а також компаратор DA3. У цифрову частину входять генератор G1, логічний пристрій DD1, лічильник імпульсів DD2, регістр пам'яті з вихідним дешифратором DD3.

Рисунок 2.3 - Структурна схема АЦП на мікросхемі КР572ПВ5

У перетворювачі використано принцип подвійного інтегрування, відповідно до якого спочатку виряджений інтегруючий конденсатор Синт заряджають певний час струмом, пропорційним вимірюваній напрузі, а потім розряджають певним струмом до нуля. Час, протягом якого відбувається розрядка конденсатора, буде пропорційним вимірюваній напрузі. Цей час вимірюють за допомогою лічильника імпульсів; з його виходу сигнали подають на індикатор.

На вхід перетворювача (виводи 30 і 31) подають вимірювана напруга Uвх, а на виводи 36 і 35 - зразкове Uобр. Цикл виміру (рисунок 4.2) складається із трьох етапів - інтегрування сигналу, тобто зарядки інтегруючого конденсатора (ЗІК), розрядки інтегруючого конденсатора (РІК) і автоматичної корекції нуля (АКН). Кожному етапу відповідає певна комутація елементів перетворювача, виконувана вимикачами S1-S11 на транзисторах структури МОП. На схемі (рис. 2.3) написи у вимикачів позначають етап, протягом якого «контакти» замкнені. Тривалість етапу, що точно задається лічильником DD2, пропорційна періоду тактової частоти fт.

Рисунок 2.4 - Цикл зміни роботи АЦП на мікросхемі КР572ПВ5

Протягом етапу ЗІК, що триває 4000 періодів тактової частоти, вхідний сигнал через вимикачі S1, S2 і буферний підсилювач DA1 надходить на вхід інтегратора DA2. Це викликає на конденсаторі Синт нагромадження заряду, пропорційного й відповідного за знаком прикладеній вхідній напрузі. Напруга на виході інтегратора DА2 змінюється з постійною швидкістю, пропорційної вхідному сигналу.

Припустимо, що до початку етапу ЗІК заряд на конденсаторах Синт і Сакн і напруга зсуву нуля ОП DA1-DA3 дорівнюють нулю (Сакн - запам'ятовувальний конденсатор вузла автоматичної корекції "нуля"). Тому що вхідний струм інтегратора DA2 малий, зміни напруги на конденсаторі Сакн не відбувається, і він фактично не виявляє впливи на процес інтегрування. Конденсатор Собр залишається з попереднього циклу зарядженим від джерела зразкової напруги до Uобр. Наприкінці етапу ЗІК компаратор DA3 визначає знак вхідної напруги за знаком напруги на виході інтегратора DA2. Чутливість компаратора DA3 така, що він правильно визначає полярність вхідного сигналу, навіть якщо сигнал суттєво менше одиниці відліку.

При роботі перетворювача на етапі РІК вхідний сигнал на інтегратор DA2 не надходить. До його входу вимикачі S7, S8 або S6, S9 приєднують заряджений до зразкової напруги конденсатор Собр, причому в такій полярності (цим і обумовлений вибір тієї або іншої пари вимикачів), при якій відбувається розрядка конденсатора Синт.

Розрядка триває доти, поки конденсатор Синт не розрядиться повністю, тобто напруга на виході ОП DA2 не стане рівним нулю. У цей момент підключений паралельно конденсатору Синт компаратор DA3 спрацьовує та завершує етап РІК. Заряд конденсаторів Собр і Сакн практично не змінюється. Час розрядки конденсатора Синт, виражене числом періодів тактових імпульсів, і є результат виміру, записаний у лічильнику DD2. Стан лічильника листується в регістр DD3, а потім після дешифрації в семиелементний код сигнали надходять на індикатор.

При знаку напруги Uвх, протилежному зазначеному на рис. 2.3, елемент G1 індикатору HG1 індицирує знак "мінус". При перевантаженні на табло залишається лише цифра 1 у старшому розряді й знак "мінус" (для негативної напруги).

Етап АКН починається із припинення роботи лічильника DD2, коли логічний пристрій DD1 "замикає контакти" вимикачів S3, S4 і S11. Що утворювався при цьому система, що стежить, забезпечує зарядку конденсаторів Синт і Сакн до напруги, що компенсує зсув "нуля" операційних підсилювачів DA1-DA3. Воно залишається незмінним протягом двох наступних етапів ЗІК і РІК. У результаті наведена до входу погрішність через зсув "нуля" і його температурного дрейфу не перевищує 10 мкВ.

Роботою всіх вузлів перетворювача управляє вбудований тактовий генератор. Частота проходження його імпульсів визначається зовнішніми елемента Rг і Сг. Для придушення мережних перешкод зі значеннями частоти, кратними 50 Гц, тактову частоту слід вибирати такий, щоб під час інтегрування, рівне 4000 періодів тактового генератора Тт, укладалося ціле число Nс періодів сіткової напруги (тривалість мережного періоду рівна 20 мс).

Таким чином, 4000 • Тт = 20 • Nc, де Nc = 1, 2, 3 і т.д. Звідси, 1т = 1/Тт = 200/Nс кГц, тобто 200, 100, 67, 50, 40 кГц; менші значення звичайно не використовують. Номінали частотозадавальних ланцюгів тактового генератора розраховують по формулі Сг = 0,45/fт • Rг. Для підвищення стабільності частоти між виводами 39 і 40 може бути включений кварцовий резонатор (при цьому елементи Rг і Сг не потрібні). При роботі перетворювача від зовнішнього генератора тактові імпульси подають на вивід 40; виводи 38 і 39 при цьому залишають вільними.

Межі вхідної напруги пристрою залежать від зразкової напруги Uобр і визначаються співвідношенням Uвх.max = ±1,999 • Uобр. Поточні показання індикатору повинні виражатися числом, рівним 1000 • Uвх/Uобр, однак на практиці вони нижче на 0,1...0,2%. Період вимірів при тактовій частоті 50 кГц рівний 320 мс. Інакше кажучи, прилад робить 3 виміри в секунду.

Типова схема включення перетворювача, його з'єднання з рідкокристалічним індикатором і чотирма елементами, що виключає АБО, необхідними для керування десятковими комами індикатору, показано на рис. 2.5. Перетворювач розрахований на однополярне живлення стабільною напругою в межах від 7 до 10 В. Плюсове проведення джерела живлення підключають до вивода 1, а мінусової - до вивода 26. При напрузі живлення 9 В ± 1 % і температурі навколишнього середовища 25+5°С максимальний споживаний струм не перевищує 1,8 мА, при цьому погрішність перетворення - не більш одиниці молодшого розряду. Вхідний опір визначається лише витоками й суттєво перевищує 100 МОм.

Перетворювач оснащений двома вбудованими джерелами живлення, один напругою 2,9±0,5 В, а другий - близько 5 В. Плюс першого з'єднаний з вивід 1, а мінус - з виводу 32 (цей вивід прийнято вважати загальним проведенням аналогової частини перетворювача). У другого джерела плюс на тому ж вивід 1, а мінус - на вивід 37.

Перше (тривольтове) джерело служить для формування зразкової напруги за допомогою резистивного дільника. Зміна вихідної напруги цього джерела при коливаннях напруги живлення мікросхеми в межах 7,5...10 В не перевищує 0,05%; температурний коефіцієнт напруги позитивний і не перевершує 0,01% /°С. Ці параметри перетворювача забезпечують досить високу точність мультиметра, побудованого на його основі, при роботі в лабораторних умовах (при коливаннях температури повітря в межах 15...25°С) і цілком прийнятну для багатьох вимірів у більш широкому температурному інтервалі.

У той же час вихідний опір джерела досить великий - при струмі навантаження 1 мА напруга на його виході падає приблизно на 5%, при 3 мА - на 12%. Тому зазначена стабільність напруги реалізована лише при постійнім навантаженні. Якщо ж навантаження підключити до виводів 26 і 32, навантажувальний струм не може перевищувати 10 мкА. Ця властивість джерела дозволяє організувати двополярне живлення перетворювача, при якому загальне проведення двох плечей блоку живлення треба буде підключити до виводу 32, проведення мінусового плеча - до виводу 26, плюсового - до виводу 1; межі напруги живлення - 2х(3,5...5) В.

Друге (п'ятивольтове) джерело призначене для живлення ланцюгів керування рідкокристалічним індикатором. Плюсової вивід цього джерела - вивід 1, мінусової - вивід 37. Стабільність напруги джерела гірше, чим у тривольтового, приблизно в 10 разів. Навантажувальна здатність також невелика - при струмі навантаження 1 мА вихідна напруга зменшується на 0,8 В, тому використовувати його можна практично тільки для живлення мікросхеми, що управляє РКІ.

На виході F перетворювач виробляє послідовність прямокутних імпульсів виду "меандр" із частотою, в 800 раз меншої тактової (62,5 Гц при fт = 50 кГц). На виходах цифр, що підключаються до елементів, індикатору, напруга має ту ж амплітуду, форму та частоту, але воно синфазно з напругою на виході F для невидимих елементів і противофазно для видимих. Низький рівень цих імпульсів відповідає -5 В (вивід 37), а високий - нулю (вивід 1).

Рисунок 2.5 - Схема включення ЖКИ через АЦП на мікросхемі КР572ПВ5

Для настроювання тактового генератора зручно, коли частота імпульсів на виході F дорівнює частоті мережі. Осцилограф, на екрані якого їх спостерігають, синхронізують від мережі й набудовують тактовий генератор на таку частоту (поблизу 40 кГц), при якій зображення стає практично нерухливим.

Для керування чотирма десятковими комами необхідні додаткові чотири логічні елементи, що виключає АБО (DD1 на рис. 2.). Вони повторюють фазу "меандру" для не індикованих ком й інвертують її для тієї, яка повинна бути видна.

Для індикації тієї або іншої коми досить відповідний вхід керування комі з'єднати з виводу 1 - загальною крапкою джерел живлення (інші входи залишають вільними).

Для з'єднання схеми електричної принципової пристрою з АЦП використовується перетворювач частоти до напруги (рис. 2.6), який перетворює імпульси з частотою від 0 до 10 кГц до постійної напруги від 0 до 10 В.

Вхідна напруга на виході перетворювача прямо пропорційна частоті вхідного сигналу. Кожне проходження сигналу через нуль компаратора викликає певна зміна заряду, що надходить на крапку підсумовування операційного підсилювача. При цьому через резистор зворотного зв'язку протікає струм, що приводить до появи імпульсу на виході операційного підсилювача. Конденсатор CINT, включений паралельно резистору RINT, перетворює ці імпульси в напругу постійного струму, прямо пропорційне частоті вхідного сигналу.

У схемі використовуються резистори загального призначення С2-29-0,125±10%. Конденсатори використовуються відповідно С9-С14 - К53-1А-1мкФЧ15В±10%.



Рисунок 2.6 - Схема електрична принципова перетворювача частоти до напруги

3. Розрахункова частина

3.1 Розрахунок застосованого у схемі АЦП

Роздільна здатність - величина, обернена максимальному числу кодових комбінацій на виході АЦП. Роздільна здатність виражається у відсотках, розрядах або децибелах і характеризує потенційні можливості АЦП з погляду досяжної точності.

(3.1)

Роздільній здатності відповідає приріст вхідної напруги АЦП Uвх при зміні Dj на одиницю молодшого розряду (ОМР). Цей приріст є кроком квантування. Для двійкових кодів перетворення номінальне значення кроку квантування

(3.2)

де Uпш - номінальна максимальна вхідна напруга АЦП (напруга повної шкали), відповідна максимальному значенню вихідного коду; m - розрядність АЦП.

Для оцінки якості аналогового сигналу в каналі збору даних використовують відношення сигнал/шум, яке емпірично пов'язане із числом розрядів і нелінійністю використовуваного АЦП. Збільшення числа розряду m приводить до підвищення його роздільної здатності, тобто чутливості до рівня вхідного аналогового сигналу й безпосередньо впливають на збільшення відносини С/Ш. Для реального АЦП:

(3.3)

де ?(С/Ш) - девіаційна зміна, виражена через диференціальну е лінійність перетворювача, й визначається за формулою:

; (3.4)

де ддн = 0,1- диференціальна е лінійність перетворення; m = 12 - кількість розрядів двійкового лічильника, тоді

Частота перетворення АЦП із двотактним інтегруванням визначається за формулою:

(3.5)

де ф0 - період слідування лічильних імпульсів; Nmax - ємність лічильника визначальна роздільну здатність АЦП, яка визначається за формулою:

(3.6)

де VIN = 4 B - вхідна аналогова напруга; VB = 0 - напруга зсуву; VREF = 1 - табличне значення.

Період слідування лічильних імпульсів визначається за формулою:

(3.7)

де FCLK = 50000 Гц - тактова частота, яку часто беруть кратною частоті мережі (50, 100 або 200 кГц).

Тоді :

Частота дискретизації оцінюється по числу розрядів і часу перетворення використання АЦП визначається за формулою:

(3.8)

Пропускна здатність каналу складання та обробки даних (Q) оцінюється по числу розрядів і час перетворення, використовуваного АЦП, й визначається за формулою:

(3.9)

Максимально припустима частота в системі перетворення даних залежить від частоти перетворення й кількості каналів у них й визначається за формулою:

(3.10)

де n =1 - число каналів системи; fпр - частота перетворення сигналу, яка визначається за формулою:

(3.11)

Максимальна частота перетворення сигналу в системі збору даних визначається за формулою:

(3.12)

У цифровому вимірювальному приладі можуть використовувати АЦП, які відслідковують аналоговий сигнал із заданою точністю доти, поки швидкість його зміни не перевищить швидкості спостереження перетворення. Таким чином, час спостереження без застосування зовнішнього пристрою вибірки та зберігання визначається за формулою:

(3.13 )

де Uп.ш = 4 В - напруга повної шкали перетворення, відповідне до діапазону вхідного аналогового сигналу АЦП.

Властивість АЧХ каналу обробки аналогової інформації багато в чому визначається значенням часу апертури АЦП. Якщо це значення нормоване, то коефіцієнт спаду АЧХ для гармонійного вхідного сигналу, що досягає амплітуди в момент подачі імпульсу на тактовий вхід перетворювача:

 (3.12)

де Кs - коефіцієнт спаду АЧХ; tx - період проходження вхідного аналогового сигналу; ta час апертури, який визначається за формулою:

(3.15)

де fx = 10 кГц - частота проходження вхідного аналогового сигналу.

Статична погрішність перетворювача визначається за формулою:

(3.16)

де Uxmax = 4 В - максимальне значення напруги вхідного аналогового сигналу.

3.2 Розрахунок параметрів надійності розробленого пристрою

Надійність - властивість виробу виконувати задані функції, зберігаючи експлуатаційні показники в заданих межах, протягом необхідного проміжку часу. Надійність так само можна визначити як фізичну властивість виробу, яка залежить від кількості та якості елементів що входять в нього, а так само від умов експлуатації. Надійність характеризується відмовою - порушенням працездатності виробу. Відмови можуть бути поступові та раптові. Поступова відмова виявляється у поступовій зміні параметрів елементів схеми і конструкції. Раптова відмова виявляється у вигляді стрибкоподібної зміни параметрів радіоелементів (РЕ). Усі вироби поділяються на відновлювані та невідновлювані.

Надійність апаратури визначається надійністю і кількістю елементів, що використовуються в ній. Оскільки надійність є одним з основних параметрів виробу, то проектована апаратура повинна оцінюватися разом з іншими параметрами, і на основі цих розрахунків можна зробити висновки про правильність вибраної схеми і конструкції виробу.

На етапі проектування, коли ще точно не визначені режими роботи схеми пристрою, проводять орієнтовний розрахунок, задаючись орієнтовними даними, що визначають умови роботи. Так, за температуру навколишнього середовища для кожного з елементів може бути прийняте середнє значення температури всередині блока, визначене на основі даних про кількість теплоти, що виділяється всередині блока, його габаритних розмірів, умов тепловіддачі та температури середовища навколо блока.

Розрахована таким чином температура не враховує місцевих перегрівів, створюваних окремими елементами, що виділяють значну кількість теплоти.

Для зручності розрахунку однотипні компоненти, що знаходяться при однакових (близьких) температурах і працюють при однакових (близьких) електричних навантаженнях, можна об'єднувати в одну групу.

Дані, необхідні для розрахунку параметрів надійності: схема електрична принципова розробленого пристрою (Э3), перелік елементів ПЕ і Э3, що використовуються у схемі пристрою, температура навколишнього середовища, фактичне значення параметра (Кн), значення інтенсивностей відмов для кожного типу застосованих радіокомпонентів (о), конструктивні особливості радіокомпонентів.

За даними, що містяться в технічних умовах на радіокомпонент, розраховуємо значення параметра, що визначає надійність, а також структурну характеристику радіокомпонента (для транзистора - кремнієвий, для конденсатора - керамічний тощо).

Надійність елементів функціонального модуля є одним з чинників, що істотно впливає на інтенсивність відмови виробу в цілому. Інтенсивність відмов елементів залежить від конструкції, якості виготовлення, від умов експлуатації і від електричних навантажень у схемі.

При збільшенні коефіцієнта навантаження інтенсивність відмови збільшується. Також вона збільшується, якщо радіокомпонент експлуатується в більш жорстких умовах: з підвищеною температурою навколишнього повітря і вологості, збільшених вібраціях, ударах тощо. Однак найбільший вплив на надійність пристрою чинить температура та коефіцієнт навантаження.

Вплив на надійність фактичного значення коефіцієнта навантаження і температури враховуємо за допомогою коефіцієнта впливу, значення якого для деяких груп радіокомпонентів наведені у табл. 3.1, з якої визначаємо значення коефіцієнта б, для цього використовуємо температуру навколишнього середовища (приймаємо t = 20oC) і обчислений коефіцієнт навантаження. З таблиць, у яких наведені орієнтовні значення інтенсивностей відмов для деяких груп радіокомпонентів [6], вибираємо значення для необхідних елементів. Ці значення інтенсивностей відмов отримані для випадку, коли коефіцієнт навантаження Кн = 1 і температура t = 20С і позначаються 0. За табл. 3.1 визначаємо значення коефіцієнта б, для цього використовуємо температуру навколишнього середовища і розрахований коефіцієнт навантаження Кн для різних типів елементів:

i = 0 • б; (3.17)

причому приймаємо i = 0 для усіх типів РЕ схеми пристрою, на які не впливають параметри Кн і б (наприклад, мікросхеми).

При збільшенні коефіцієнта навантаження інтенсивність відмови збільшується. Також вона збільшується, якщо радіокомпонент експлуатується в більш жорстких умовах: з підвищеною температурою навколишнього повітря і вологості, збільшених вібраціях, ударах тощо. Однак найбільший вплив на надійність пристрою чинить температура та коефіцієнт навантаження.

Знаходимо інтенсивність відмов при заданому значенні температури навколишнього середовища і навантаження для кожної групи радіокомпонентів, залежно від кількості елементів даного типу, за формулою:

(3.18)

де mi - кількість елементів, що належать до одного типу і працюють в однакових умовах; i - інтенсивність відмов даного типу елементів.

Інтенсивність відмов функціонального вузла або приладу в цілому визначається за формулою:

(3.19)

Інтенсивність відмов елементів залежно від умов експлуатації виробу визначається за формулою:

(3.20)

де Лi - номінальна інтенсивність відмов для кожного типу елементів; К1 і К2 - поправкові коефіцієнти, які залежать від дії механічних чинників. Для стаціонарної апаратури беремо рівними К1 = 1,04, К2 = 1,03, К3 - поправковий коефіцієнт, який описує залежність від дії вологості та температури. Для вологості 60…70 % і температури t = 20…40 0С К3 = 1, К4 визначає залежність від атмосферного тиску, за нормальних умов дорівнює К4 = 1,14, Q - залежність від температури поверхні елемента і коефіцієнта навантаження (Кн, t), визначається за графіками [6].

Визначаємо основні показники надійності за (3.17) - (3.20) і заносимо результати обчислень до табл. 3.1.

Таблиця 3.1 - Показники інтенсивностей відмов функціонального вузла

Тип елемента	лi Ч 10-5	m	Лi Ч 10-5
Резистори	МЛТ, МТ,С2-29	0,00364	17	0,06188
	СП3-24 и 28	0,165	2	0,33
	СП1	0,11	1	0,11
Конденсатори	К10-17	0,0245	4	0,098
	К-53-1А	0,027	6	0,162
	К52-1	0,054	2	0,108
	К71-7	0,0405	2	0,081
	МБМ	0,0048	1	0,0048
Транзистор	КТ-315	0,2015	1	0,2015
Котушка індуктивності	0,018	1	0,018
Мікросхеми	КР572ПВ5	0,066	1	0,066
	К561ЛП2	0,045	1	0,045
	К561ЛЕ5	0,01	1	0,01
	IC9400	0,01	1	0,01
	78L05	0,1	1	0,1
Ключ	0,02	1	0,02
ЖКІ	3	1	3
Пайка	0,01	190	1,9
Плата	0,0004	1	0,0004
Л/Ч 10-5	6,32658

без резервування дорівнює:

 (3.21)

де Л/ - інтенсивність відмов схеми; t - заданий час безвідмовної роботи схеми; tp - час безвідмовної роботи.

Визначаємо ймовірність безвідмовної роботи за формулою для декількох довільно взятих часових точок (наприклад: t1 = 100 год, t2 = 500 год, t3 = 1000 год, t4 = 5000 год, t5 = 10000 год). За результатами розрахунків будуємо графік залежності безвідмовної роботи від часу (рис. 3.1).

Визначаємо середній час напрацювання на відмову за формулою:

; (3.22)

Кількість відмов за рік знаходимо за формулою:

; (3.23)

де ФД - дійсний фонд річної роботи. У середньому для приладу, що працює в одну зміну (не більше 8 годин за добу) беремо значення 2015 годин/рік (у три зміни - 5960 годин/рік).

Імовірність відмови для розрахованих значень часу безвідмовної роботи P(tp) знаходимо за формулою:

(3.24)

За результатами розрахунків будуємо графік залежності ймовірностей відмови від часу ( рис. 3.2).

Рисунок 3.1 - Графік імовірності безвідмовної роботи



Рисунок 3.2 - Графік імовірності відмови

Висновок

металошукач мікросхема сигнал

У даному курсовому проекті було розроблено металошукач з відображенням вихідного сигналу через АЦП на рідкокристалічний дисплей.

При проектуванні даного пристрою за основу було взято схему електричну принципову із довідника та за умови технічного завдання було оцифровано сигнал з виводом на рідкокристалічний дисплей. Для реалізації поставленого завдання було використано АЦП на мікросхемі КР572ПВ5 з виводом інформації на рідкокристалічний дисплей ИЖЦ5-4/8.

Також було проведено розрахунок надійності проектованого пристрою. У розрахунку було знайдено інтенсивність відмов та напрацювання на відмову. Напрацювання на відмову дорівнює 15806 годин, що є нормальним для такого металошукача.

Отже, металошукачами називають електронні пристрої, які виявляють присутність металу не контактуючи з ним (завдяки випромінюванню радіохвиль і уловлюванню вторинних сигналів), і, виявивши, інформує про цей факт оператора (звуковим сигналом, переміщенням стрілки і так далі).

При включенні приладу в пошуковій голівці створюється електромагнітне поле, яке поширюється в довкілля, будь то земля, камінь, вода, дерево, повітря. На поверхні металів, що потрапили в зону дії пошукової котушки під дією електромагнітного поля виникають так звані вихрові струми. Ці вихрові струми створюють власні зустрічні електромагнітні поля, що призводять до зниження потужності електромагнітного поля, що створюється пошуковою котушкою, що і фіксується електронною схемою приладу. Електронна схема металошукача обробляє отриману інформацію і сигналізує про виявлення металу.

Список використаних джерел

1. Цикин И.А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов / И.А. Цикин. - М.: Додека, 2003. - 160 с.

2. Гершунский Б.С. Основы электроники и микропроцессорной техники / Б.С. Гершунский. - К.: Вища школа. 1990. - 287 с.

3. Рычина Т.А. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы: Учебник для вузов / Т.А. Рычина, А.В. Зеленский. - М: Радио и связь, 2005. - 352 с.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника / Е.П. Угрюмов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 528 с.

5. Хоровиц П.Ю. Искусство схемотехники: в 3-х томах Т. 1. Пер. с англ. 4-е изд., перераб. и доп. / П.Ю. Хоровиц, У.К. Хилл. - М.: Мир, 1993.- 413 с.

6. Пацюра И.В. Надёжность электронных систем / И.В. Пацюра, В.И. Корнейчук, Л.В. Довбыш. - К.: СВІТ, 1997. - 132 с.

7. Горлач А.А. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике / А.А. Горлач, М.Я. Минц, В.Н. Чимков. - К.: Техника, 1985. - 151 с.

8. Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник / С.Т. Усатенко, Т.К. Каченюк, М.В. Терехова. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 325 с.

9. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы / В.Л. Шило. - М.: Радио и связь, 1988. - 352 с.

10. Федорков Б.Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение / Б.Г. Федорков, В.А. Телец. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

11. Маячин Ю.А. 180 аналогових мікросхем, 1993. - 128с

Размещено на Allbest.ru