Описание технологического процесса. Курсовая работа 40 с., 4 рисунка, 4 таблицы, 16 источников, 2 приложения.

Реферат

Курсовая работа 40 с., 4 рисунка, 4 таблицы, 16 источников, 2 приложения.

детекторная головка, измерительная часть, схема управления, система автокалибровки, микроконтроллер, коэффициент усиления, измерение, диод Шоттки.

Работа выполнена с целью создания аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств (программная часть системы разрабатывается в рамках курсового проекта по курсу “Автоматизированное управление в технических системах”).

Разработанная система позволяет в автоматическом режиме производить измерения мощности входного СВЧ сигнала в широком диапазоне (0¸ 0, 4) мВт с достаточно высокой точностью (погрешность измерений составляет 1× 10^-7Вт).

Измерительная часть системы автокалибровки и измерения, разработанная на основе микроконтроллера ATMEL 89S8252-24QC, конструктивно располагается на печатной плате размером 14, 5´ 2, 8 см. и имеет информационную производительность 2.4× 10³ результатов в секунду.

Разработанная система внедряется на базе НПК АООТ " РИТМ".

Система автокалибровки и измерения применяется в составе измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) Р2-, который в свою очередь входит в состав измерительной системы «Растр».

Годовой экономический эффект от внедрения проектируемой системы измерения комплексных параметров СВЧ устройств (вся система «Растр») составил 8 101 258, 85 рублей. Срок окупаемости новой системы ориентировочно 7 дней. (Расчет годового экономического эффекта и срока окупаемости представлен в курсовом проекте по курсу “ Организация, планирование и управление предприятием ”).

Содержание

Реферат............................................................................................................ 4

введение......................................................................................................... 7

1 Описание технологического процесса........................................................... 9

1.1 Классификация аппаратуры измерения комплексных параметров СВЧ сигнала 9

1.2 Основные характеристики применяемых измерительных приборов... 9

1.3 Краткое описание процесса измерения................................................ 10

1.4 Экономическое обоснование................................................................. 12

2 Требования к разрабатываемой системе и постановка задачи.................. 16

2.1 Постановка задачи............................................................................. 16

2.2 Требования к разработке аппаратной части................................ 16

2.3 Требования к разработке программного обеспечения.............. 16

3 Техническое задание.................................................................................... 17

3.1 Основание для проектирования............................................................ 17

3.1.1 Состав каждого комплекта прибора и требования к конструкции. 17

3.2 Тактико-технические требования.......................................................... 18

3.2.1 Требования к параметрам и характеристикам измерителей коэффициента передачи и отражения (приборы группы Р2-)............................................ 19

3.2.2 Режимы работы приборов группы Р2-............................................. 19

3.2.3 Пределы допускаемой основной погрешности измерений.............. 20

3.2.4 Требования к техническому уровню................................................. 21

3.2.5 Требования к надежности.................................................................. 21

3.2.6 Требования к технологичности конструкции................................... 21

3.2.7 Требования к уровню унификации и стандартизации..................... 22

3.2.8 Эстетические и экономические требования....................................... 22

3.2.9 Условия эксплуатации....................................................................... 22

3.2.10 Требования к упаковке и маркировке............................................... 22

4 Разработка аппаратной части измерительной системы Р2- «Растр»......... 23

4.1 Выбор структуры измерительной системы Р2- «Растр»..................... 23

4.2 Обоснование выбора технических средств.......................................... 25

4.3 Разработка принципиальной схемы..................................................... 28

5 Расчет надежности........................................................................................ 32

Заключение................................................................................................. 34

Список используемых источников.............................................. 35

Приложение А – Исходные данные для расчета надежности......................... 37

Приложение Б – Расчет надежности измерительной части Р2- «Растр»........ 39

спецификация........................................................................................... 40

Введение

На данном этапе развития техники возникла потребность в более точных и скоростных систем измерения параметров СВЧ сигнала, так как при разработке, производстве, эксплуатации радиоэлектронных устройств необходимо выполнять большое количество измерений, разнообразных по сложности, точности и количеству контролируемых параметров.

Основанием для разработки всей измерительной системы можно считать следующий фактор: в текущий момент на вооружении Российских военных находится большое количество СВЧ устройств и приборов, выполняющих самые различные функции. Все эти приборы, согласно определенным требованиям, требуют периодических метрологических поверок и разнообразных тестирований, необходимых для поддержания в постоянной боевой готовности все современное электронное оборудование. Такого рода измерительно-поверочные системы используемые в настоящее время, в виду быстротечности электронно-технического прогресса, морально и технически сильно устарели, поскольку были разработаны и освоены в производстве не менее 10 лет назад еще до повального экономического спада в нашей стране. Эксплуатация, обслуживание, а тем более воспроизводство таких приборов, с учетом их высокой себестоимости и сложным обслуживанием, превратилось в практически неразрешимую проблему. Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных затрат. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10%. Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.

Вся эта техника требует высококвалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки. Подсчитано, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно равна 15% от стоимости самого прибора. Причем эта величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.

Таким образом, повышение многофункциональности измерительной аппаратуры, а особенно дорогостоящих СВЧ приборов, превратилось не только в техническую, но и актуальную экономическую проблему. Разрабатываемое устройство позволяет резко сократить парк измерительных СВЧ приборов, причем метрологические и эксплуатационные возможности нового прибора значительно расширятся по отношению к заменяемым.

Благодаря стремительному развитию микросхемотехники в настоящее время появилась элементная база для создания приборов, отвечающих современным требованиям по быстродействию и точности измерения параметров СВЧ сигнала.

Основанием для разработки системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств послужили более высокие требования к точности измерений и наложение более жестких ограничений во времени (порядка 400 мкс) по отношению к существующим системам.

Описание технологического процесса

Классификация аппаратуры измерения комплексных параметров СВЧ сигнала

Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными параметрами (группа «Р-») разделяется на следующие виды:

Р1- линии измерительные;

Р2- измерители коэффициента стоячей волны (КСВ);

Р3- измерители полных сопротивлений;

Р4- измерители комплексных коэффициентов передач;

Р5- измерители параметров и линий передач;

Р7- измерители добротности.

Приборы группы «Р-» можно разделить на две основные подгруппы: измерители на основе анализа картины стоячей волны и измерителей на основе анализа отношений падающих, прошедших и отраженных от исследуемого объекта сигнала. К первой подгруппе относятся линии измерительные (Р1-) и измерители полных сопротивлений (Р3-). Функциональные возможности обоих видов измерителей одинаковы. Преимуществом приборов Р3-, особенно на сравнительно низких частотах, являются малые габариты.

Усовершенствование измерительной аппаратуры на основе развития методов построения и элементной базы привело к тому, что многие приборы имеют более широкие функции. Например, приборы Р2-, предназначенные для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), измеряют и ослабление (усиление).

Экономическое обоснование

Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных средств. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10%. Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.

В то же время вся эта техника требует квалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки.

Известно, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно ровна 15% от стоимости самого прибора. Ее величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.

Произведем расчет одного из возможных вариантов получения экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы измерения параметров СВЧ сигнала

Для полноценного анализа поведения СВЧ объекта во всем диапазоне изменения частот необходимо провести измерения в определенном количестве точек (от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот), затем анализ измеренных результатов и представление их в виде графика. В зависимости от исследуемых параметров СВЧ сигнала (амплитуды, частоты, коэффициента стоячей волны (КСВ), фазы, коэффициента передачи и коэффициента отражения) измерения производятся на приборах класса Р2- или Р4-, но для простоты будем считать что время одного измерения на обоих приборах одинаково.

Для производства одного измерения на существующем оборудовании высоко квалифицированному оператору необходимо затратить около одной минуты с учетом производства простейших расчетов, занесения результата в бланк записи измерений и установки следующей входной частоты вручную. Для построения окончательной характеристики СВЧ объекта (измерение в 600 точках) ему необходимо:

600 точек × 1 мин. = 600 мин или 10 час.

Предположим, что заработная плата такого специалиста составляет 1500 руб. в месяц, тогда при 255 рабочих днях в году будет произведено (если предположить, что все 8 часов в день оператор производит измерения):

255 дней × 8 час/день × 60 мин/час = 122400 мин

в данном случае равное числу измерений или будет построено:

122400 измерений / 600 точек = 204 характеристики;

на что будет затрачено:

1500 руб. × 12 мес. = 18000 руб.

Разрабатываемая система измерений в течении одной секунды автоматически производит измерение в 600 точках и строит на экране ЭВМ необходимую характеристику. Если предположить что зарплата специалиста, работающего на новом оборудовании, будет прежней (1500 руб.), хотя квалификация его может быть ниже, чем в первом случае, то при тех же затратах в год (18000 руб.) будет построено:

255 дней × 8 час/день × 3600 сек/час = 7344000 характеристик

или произведены измерения в:

7344000 характеристик × 600 точек = 4406400000 точках,

что в 4406400000 / 122400 = 36000 раз больше, чем в первом варианте.

Для большей наглядности с экономической точки зрения проведем подобный расчет относительно затраченных средств, то есть подсчитаем сколько потребуется времени новой системе для производства такого же числа измерений, что и старой системе за год.

204 характеристики / 1 сек = 204 секунды

Зарплата специалиста за этот промежуток времени составит:

1500 руб/мес / 22 дня/мес / 8 час/день / 3600 сек/час × 204 сек = 0, 48 руб.

Окончательно можно отметить, что применение нового вида приборов приведет к:

- увеличению точности проводимых измерений;

- уменьшению временных затрат на проведение измерений;

- повышению универсальности нового прибора по отношению к используемым в настоящее время;

- значительное уменьшение габаритов и массы нового измерительного комплекса;

- повышению удобства пользования измерительной системой;

- улучшению понимания исследуемых процессов за счет скоростной визуализации на экране ЭВМ динамически происходящих процессов;

- возможности более универсального использования: подключение к любому персональному компьютеру через универсальную шину USB.

Требования к разрабатываемой системе и постановка задачи

Постановка задачи

Устройство должно принимать от датчика СВЧ сигнала постоянное напряжение от 5 мкВ до 3, 6 В, усиливать его усилителем постоянного тока с коммутируемым коэффициентом усиления (1/4, 1, 4, 16, 64, 256) и подавать на АЦП. Результат измерения АЦП передается в микроконтроллер, усредняется за 1, 2, 4, 8 измерений, корректируется по специальной функции и предается через последовательный канал связи (SPI) для дальнейшей обработки в управляющий компьютер.

Устройство может работать как в режиме измерения, при этом должна обеспечиваться информационная производительность 2.4× 10³ результатов в секунду, так и в режиме калибровки: определение специальной корректирующей функции.

Точность измерения (в верхней части измеряемых значений) составляет 0, 1 %.

Требования к разработке аппаратной части

Разработать схему устройства, выполняющего перечисленные функции на микроконтроллере ATMEL 89S8252-24QC.

Работа завершается предоставлением электрической схемы, сборочного чертежа и топологии печатного монтажа.

Требования к разработке программного обеспечения

Разработать программу для микроконтроллера, обеспечивающую выполнение перечисленных функций. Результат представить в виде отлаженных текстов программ, протоколов измерения характеристик устройства в целом.

3 Техническое задание

Требования к параметрам и характеристикам измерителей коэффициента передачи и отражения (приборы группы Р2-).

Диапазон частот комплекта приборов должен быть от 0, 01 до 37, 5 ГГц. Весь диапазон должен перекрываться пятью приборами с предполагаемой разбивкой по поддиапазонам: (0, 01-2, 0) ГГц; (2, 0-8, 3) ГГц; (8, 15-18, 0) ГГц; (17, 44-25, 95) ГГц и (25, 95-37, 5) ГГц.

Требования к техническому уровню

Прибор должен иметь комплексные показатели технического уровня, сопоставимые с аналогичными показателями зарубежных аналогов того же класса и стоимости.

Требования к надежности

Средняя наработка на отказ (То) прибора должна быть не менее 10 000ч.

Среднее время восстановления работоспособного состояния блоков (Тв) должно быть не более 1 ч.

Гамма – процентный ресурс приборов (Тg) должен быть не менее 10 000 ч при доверительной вероятности (g), равной 90 %.

Гамма – процентный ресурс службы приборов (Тсл) должен быть не менее 15 лет при доверительной вероятности (g), равной 90 %.

Гамма – процентный срок сохраняемости приборов (Тсх) должен быть не менее 12 лет для отапливаемых хранилищ и 6 лет для не отапливаемых хранилищ при доверительной вероятности (g), равной 90 %.

Вероятность отсутствия скрытых отказов приборов комплекта (P(t)) за межпроверочный интервал (t), равный 24 мес. при среднем коэффициенте использования (Ки), равном 0, 17 должна быть не менее 0, 90.

Количественные значения показателей надежности устанавливаются в соответствии с РД 4.4110.05-93 и, при необходимости, уточняют на стадии технического проекта, а оценку соответствия заданным требованиям проводят в соответствии с РД 4.4110.04-93 и РД 4.4110.02-93.

В эксплуатационных документах должны быть указаны критерии придельного состояния приборов.

Требования к технологичности конструкции

Приборы по технологичности конструкции и использованию унификации и типового оборудования должны отвечать требованиям типовых технологических процессов и обеспечивать достижение заданных показателей надежности при минимальных затратах на их изготовление, техническое обслуживание и ремонт.

Требования к уровню унификации и стандартизации

Требования к уровню унификации и стандартизации должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76.

Показатели уровня унификации и стандартизации должны быть порядка:

коэффициент применяемости К_пр = 50 %,

коэффициент повторяемости К_п = 50 %.

Указанные коэффициенты уточняются расчетным путем на стадиях технического проекта и разработки рабочей документации опытного образца в соответствии с ГОСТ В 15.207-79 и ОСТ В 4.090.041-82.

3.2.8 Эстетические и экономические требования

Требования по технической эстетики и экономике должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76, ОСТ 4.270.000-83, а также требованиям СТП УШЯИ.000.053-89.

Условия эксплуатации.

По устойчивости к климатическим воздействиям приборы должны соответствовать требованиям группы 1.1 УХЛ по ГОСТ В 20.39.304-76 со значениями рабочих температур от плюс 5°С до плюс 40°С, по прочности механическим воздействиям – требования группы 1.6 по ГОСТ В 20.39.304-76.

Требования к упаковке и маркировке

Упаковка должны соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76.

Вид упаковки и ее обозначения должны соответствовать требованиям ОСТ 4.070.011-78.

Маркировка на таре должна соответствовать требованиям ГОСТ 14.192-77.

Маркировка приборов должна соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76 и НТД, согласованной с Заказчиком.

Расчет надежности

С целью обеспечения заданных в техническом задании показателей надежности измерителя коэффициента передачи и отражения Р2- «Растр» составлена программа обеспечения надежности (ПОН), которая выполнена.

В соответствии с ПОН был проведен расчет количественных показателей надежности. Расчет выполнен в соответствии с РД4.4110.04-93, и представлен в приложении Б. Все необходимые надежностные показатели, сведенные в общую таблицу, представленную в приложении А, выбирались из расчета рабочей температуры внутри прибора t_раб = 50 °С и соответствия группе 1.1 УХЛ по климатическим воздействиям.

Результаты расчета приведены в Таблица 5.1.

Таблица 5.1 - Результаты расчета надежности.

Показатели надежности	По ТЗ	Расчетная величина
Наработка на отказ (Тор), ч	не менее 10 000	288 632
Гамма – процентный ресурс (Трg), ч	не менее 10 000 при g = 90 %	10 000 при g = 90 %
Гамма – процентный срок службы (Тслg), лет	не менее 15 при g = 90 %	16 при g = 90 %
Гамма – процентный срок сохраняемости (Тсg), лет	не менее 12 (от.) 6 (неот.) при g = 90 %	16 (от.) 10 (неот.)
Среднее время ремонта (Твр), мин	не более 60	70
Вероятность отсутствия скрытых отказов (Рtg)	не менее 0, 9 при t = 24 мес. при Ки = 0, 17	не менее 0, 999 при t = 24 мес. при Ки = 0, 17

Заданные в ТЗ показатели надежности выполнены, за исключением среднего времени ремонта, которое превышает заданное на 16, 7 % (10 мин.). Значения показателей надежности соответствуют нормам, установленным действующей НТД.

Комплектующие изделия и материалы используемые для расчета надежностных показателей являются (где это возможно) отечественными аналогами устанавливаемых в измерительной части Р2- комплектующих элементов. Устанавливаемые в приборе ЭРЭ иностранного производства имеют не худшие надежностные характеристики по сравнению с используемыми в расчетах.

Анализ и оценка рассмотренных материалов по обеспечению надежности разрабатываемой измерительной части Р2- «Растр» показали, что требования ПОН на стадии разработки опытных образцов – выполнены.

Заключение

В данной работе была обоснована целесообразность проведения разработки системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств на базе микроконтроллера ATMEL 89S8252-24QC.

В результате выполнения работы была разработана измерительная часть системы автокалибровки и измерения, которая согласно техническому заданию:

- принимает от датчика СВЧ сигнала постоянное напряжение от 5 мкВ до 3, 6 В;

- усиливает его усилителем постоянного тока с коммутируемым коэффициентом усиления (1/4, 1, 4, 16, 64, 256) и подает этот сигнал на АЦП;

- результат измерения АЦП передается в микроконтроллер, усредняется за 1, 2, 4, 8 измерений, корректируется по специальной функции и предается через последовательный канал связи в управляющий компьютер для дальнейшей обработки;

- имеет информационную производительность 2.4× 10³ результатов в секунду;

- точность измерения (в верхней части измеряемых значений) составляет 0, 1 %.

Представлена принципиальная схема и топология платы печатного монтажа. Рассчитана надежность измерительной части. Разработанная система внедряется на базе НПК АООТ " РИТМ". Система автокалибровки и измерения применяется в составе измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) Р2-, который в свою очередь входит в состав измерительной системы «Растр».

Приложение А – Исходные данные для расчета надежности.

Таблица П.1 - Исходные данные для расчета надежности измерительной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств.

Позиционное обозначение	Наименование и тип ЭТИ	Кол-во, N, шт.	Интенсивность отказов при номинальной нагрузке, l₀× 10⁶ 1/ч	Коэффициент электрической нагрузки, Кн	Поправочный коэффициент, зависящий от Кн, Кр	Поправочный коэф., зависящий от гр. экспл., Кэ	Суммарная интенсивность отказов, N× l₀	Ресурс ЭРИ при g=90%, ч	Интенсивность отказов ЭРИ при хранении, l× 10⁸ 1/ч	Суммарная интенсивность отказов при хранении, N× l	Сохранение ЭРИ при g=90%, лет
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12

Приложение Б – Расчет надежности измерительной части Р2- «Растр».

Спецификация

Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
	Конденсаторы
C1, C2, C4-C9, C11, C12	К52-1Б	10	Танталовые
C3, C10, С13-C19	К10-17В	9	Металлокерамические
	Диоды
V1	HSCH-5336	1
	Резисторы
R1-R28	С2-23	28
	Дросселя
L1-L6	ДПМ 0, 6-10	6
	Микросхемы аналоговые
D1, D2	ADM660AR	2	Преобразователь питания
D3, D10	OP177GS	2	Операционный усилитель. Аналог 140УД17
D5	AD680AR	1	Источник опорного напряжения АЦП
D6	AD7893AR-2	1	АЦП. Аналог 1118ПВ1
D7	MAX810M	1	Устройство сброса МК
D12, D13	HCPL-2611	2	Оптрон. Аналог АОТ101АС
	Микросхемы цифровые
D4, D9	MC14052BD	2	Демультиплексор. Аналог 1561КП1
D8	AT89S8252	1	Микроконтроллер. Аналог К1816ВЕ51
D11	MC74AC00D	1	Логика. Аналог К1554ЛА3