Разработка управляемого генератора шума

Рисунок 3.7 – 3D модель устройства в программе КомпасРазмеры корпуса L×W×H=110×55×20.4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБОРКИ И МОНТАЖА4.1 Анализ конструкции на технологичностьЦифровой управляемый генератор шума относится к электронным устройствам. В соответствии с ОСТ 4Г0 091.219-76 для электронных устройств применяютсяряд показателей технологичности, которые представлены в таблице 4.1.Таблица 4.1 – Показатели технологичности для электронных устройствПоказатели технологичностиКоэффициент значимостиКоэффициент автоматизации и механизации монтажаj= 1Коэффициент механизации подготовки ЭРЭj= 0.75Коэффициент повторяемости ЭРЭj= 0.31Коэффициент применяемости ЭРЭj= 0.187Коэффициент прогрессивности формообразования деталейj= 0.11Для выполнения оценки технологичности определяем следующие показатели:1. Рассчитываем коэффициент автоматизации и механизации монтажа БП:где НАМ– количество монтажных соединений, выполненных механизированным или автоматизированным методом; НМ – полное число монтажных соединений.Все электрорадиоэлементы (ЭРЭ) блока питания стандартные, в связи с чем монтаж можно выполнять механизированным или автоматизированным способом.2. Рассчитываем коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу:где НМП_ЭРЭ –число ЭРЭ, подготовка которых к монтажу можнопроизводить механизированным или автоматизированным способом.3. Рассчитываем коэффициент применяемости ЭРЭ:где НТОР_ЭРЭ =0 – количество типов,использованных оригинальных ЭРЭ; НТ_ЭРЭ =12 - количествоиспользованных типов ЭРЭ.4. Рассчитываем коэффициент повторяемости ЭРЭ:где НТЭРЭ =12 – количествоиспользованных типов ЭРЭ.5. Рассчитываем коэффициент прогрессивности формообразования деталей:где DПР – число деталей, заготовок или самих деталей, которыепроизведены с помощью прогрессивных методов формовки; D –число деталей, находящихся в составеБП, поэтому:Комплексный показатель технологичности рассчитываетчерез базовые показатели по формуле:где Ki- показатель, взятый из таблицы основных показателей; φi– функция, нормализующаяпоказатель веса индикатора и зависящая от порядкового номера в таблице.Подставляя числовые значения находим комплексный показатель технологичности БП:4.2 Разработка технологического процесса сборки и монтажаПроцесс сборки и монтажа изделия РЭА включает следующие пункты:а) установка и пайка элементов, монтируемых в отверстия;б) контроль.Рассмотрим подробнее технологический процесс.Пайка двойной волной припояПрименяется для пайки элементов в отверстия плат, поутверждению ряда производителейона может быть использована для пайки элементов поверхностного монтажа,имеющих простые корпусные конструкции, устанавливаемыес одной стороныпечатной платы.Рисунок 4.2 – Иллюстрацияк процессу пайки двойной волной припояКонтрольРабочее место,основанное на системе визуального контроля MANTIS,удовлетворяетосновным требованиям эргономики, способствует снижению утомляемостимонтажникапри проведении работ, способствует повышению производительности трудаблагодаря уменьшению нагрузки на зрение в процессе выполнения работ.Основные преимущества системы:- максимальное увеличение до 10 крат;- наличие стереоизображения,имеющего высокую разрешающую способность;- наличие антибликового экрана;- наличие регулятораяркости освещения;- низкая утомляемость рабочего.Перечисленные преимуществадают возможность достичь высокого качества при производстве изделий РЭА.4.3 Инженерные расчеты4.3.1 Расчет надежностиПри выполнении расчета используем следующие основные формулы:- вероятность безотказной работы:- средняя наработка на отказ:- интенсивность отказа изделия: Таблица 4.2 – Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние механических воздействий [17]Условия эксплуатации аппаратурыПоправочный коэффициент α1ЛабораторныеСтационарные (полевые)ПолевыеКорабельнаяАвтомобильныеЖелезнодорожнаяСамолетное1.01.071.071.371.461.571.65Таблица 4.3 – Поправочные коэффициенты, учитывающих влияние относительной влажности [17]Относительная влажностьПоправочный коэффициент α260….70 % при t=20….600190….98 % при t=20….600290….98 % при t=30….6002,5Таблица 4.4 – Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние атмосферного давления [17]Высота (км) Значения α3Высота (км) Значения α30..1 1,00 5..6 1,16 1..2 1,05 6..8 1,2 2..3 1,1 8..10 1,25 3..5 1,14 10..15 1,3 Вычислим итоговый поправочный коэффициент при условиях эксплуатации лабораторных, влажности 60-70%, высоте 0 км, получим:Исходные данные для расчета интенсивности отказа сведем в таблицу 4.5Таблица 4.5 – Интенсивности отказов элементовНаименованиеэлементовКол-во, ni,штИнтенсивность отказовноминальная 1/чРежим работыПоправочный коэффициент, αiИнтенсивность отказадействительная 10-6Температура, °С1/ч1/чИнтегральные схемы50.5-45…951.00.52.5Конденсаторы танталовые60.02-45…951.00.020.12Конденсаторы электролитические60.55-45…951.00.553.3Резисторы постоянные непроволочные40.05-60…1001.00.050.2Светодиоды30.7-60…1001.00.72.1Диоды10.2-60…1001.00.20.2Коннекторы20.7-45…951.00.71.4Соединения паяные1490.04-60…1001.00.045.96В этом случае интенсивность отказа находим по формуле (4.13): – поправочный коэффициент, вводимый для учета режима работы элемента, а также температуры внутри блока; – интенсивность отказа элемента, при нормальном режиме его работы и нормальных условиях эксплуатации; – количество одинаковых элементов.Выполним расчет интенсивности отказов групп одинаковых радиоэлементов.Рассчитаем интенсивность отказов комплекта микросхем. Рассчитаем интенсивность отказов комплекта конденсаторов танталовых. Рассчитаем интенсивность отказов комплекта конденсаторов электролитических. Рассчитаем интенсивность отказов комплекта резисторов постоянных непроволочных.Рассчитаем интенсивность отказов комплекта светодиодов.Рассчитаем интенсивность отказов комплекта диодов.Рассчитаем интенсивность отказов комплекта коннекторов.Рассчитаем интенсивность отказов паяных соединений. Результаты расчетов подставим в таблицу 4.4.Рассчитаем интенсивность отказов всего устройства.Подставляя в (4.10) расчетное значение интенсивности отказа получим:Так как имеем , то (4.9) можно записать:Результаты расчетов сведем в таблицу 4.6.Таблица 4.6 – Зависимость вероятности безотказной работы от времени наработки устройства в часахt, час101001000100002000040000633710.99980.9980.9840.8540.7290.5320.368Используя результаты расчетов построим график зависимости вероятности безотказной работы от времени наработки в часах, представленный на рисунке 4.3. Рисунок 4.3 – График зависимости вероятности безотказной работы от времениГарантийный срок службы изделия определяется из графика на уровне . Это составляет 22602 часов. Исходя из 8-ти часового рабочего времени устройства в сутки и 365 дней в году, гарантийный срок службы составит:Высокий уровень надежности изделия обеспечивается множеством факторов: правильной разработкой электрической принципиальной схемы устройства, правильным выбором конструкции устройства, правильным подбором элементной базы, на основе высоконадежных ЭРЭ, правильным выбором технологического процесса производства изделия, а также строгим соблюдением правил эксплуатации.4.3.2 Расчет теплового режимаОпределим температуру корпуса.1. Рассчитаем площадь внешней поверхности устройства:гдеL1, L2и L3 - габаритные размеры корпуса блока.2. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса:гдеP0– мощность, рассеиваемая генератором шума, Вт.3. Задаемся значением перегрева корпуса в первом приближении ∆tк = 0.1oC.4. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней aл.в , боковой aл.б и нижней aл.н поверхностей корпуса :гдеεi- степень черноты i-ой наружной поверхности корпуса зададимся значением ε = 0,92);5. Рассчитаем определяющую температуру:5. Для определяющей температуры находим число ГрасгофаGrдля каждой поверхности корпуса:гдеβm- коэффициент объемного расширения;g–ускорение свободного падения, м/с2 ;νm- кинетическая вязкость газа (для воздуха);Lопрi- определяющий размер i-ой поверхности.6. Определяем число Прандтля Prдля определяющей температуры tm: Pr =0,702.7. Находим режим движения газа или жидкости, обтекающих каждую поверхность корпуса:( Gr×Pr)m > 5×102 - режим переходный к ламинарному;(Gr×Pr)m < 2×107 - ламинарный режим;( Gr×Pr)m >2×107 - турбулентный режимGr×Pr =1,628×104 –ламинарный режим8. Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блокаαкi:где λm- теплопроводность газа (для воздуха);Ni - коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:9. Определим площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса:10. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средойσК:11. Рассчитываем, перегрев корпуса блока РЭА во втором приближенииΔtК.О:гдеKК.П- коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации корпуса;KН1- коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды.12. Определяем ошибку расчета:13. Рассчитываем температуру корпуса:Полученное значение температуры корпуса находится в пределах допустимой нормы, а перегрев нашей платы невелик – 1.89oC, следовательно, тепловой режим устройства соблюдается.4.3.3 Расчет механической прочностиПри расчетеследуетиметь ввиду, что печатная плата закреплена защелками с одной стороны, а противоположная сильно прикреплена к корпусу устройства.Данная печатная плата имеет размеры: а=0.11м, b=0.055 м, h=1∙10-3 м.Материал печатной платы – стеклотекстолит марки FR-4ПлотностьFR-4, r=2.4∙103 кг/м3;Общая масса ЭРЭ Мэ=0.03 кг;Модуль Юнга Е=3∙1010 Н/м2 =0.3·105 МПа;Коэффициент Пуассона m=0.28;Максимальной амплитудой ускорения корпуса Smax =2g;Логарифмический декремент колебания σ=0.12.1) Определяем массу ЭРЭ, приведённую к единице площади платы:2) Определяем массу единицы площади ПП:3) Рассчитываем коэффициент, учитывающий массу ЭРЭ:4) Рассчитываем коэффициент частоты для первой формы колебаний пластины (ПП): 5) Рассчитываем жёсткость ПП:6) Рассчитываем собственную частоту колебаний:7) Рассчитываем первую собственную частоту колебаний:Рассчитанная собственная частота печатной платы не находится в диапазоне воздействующих частот f=1...60 Гц в при нормальном режиме работы.8) Найдем виброперемещение Z. Рассчитаем для заданного вида закрепления платы в корпусе максимальное перемещение точки А с координатами Х=0.11 и У=0.055.где ψ1х и ψ1у =0,5098 − коэффициенты вовлечения форм собственных колебаний; Х1(х)=1 и У2(у)=1 − значения балочных функций;К1дин −коэффициент динамичности:9) Теперь полученное значение необходимо проверить на условие виброжесткости:где ∆adm − допустимый прогиб для данной пластины.где ∆adm.норм =30 мм − допустимая стрела прогиба; lнорм =1м − нормированная длина.Вывод: Плата соответствует условию виброустойчивости, поэтому никаких дополнительных конструктивных мер не требуется. Выбранный вариант крепления платы соответствует условиям эксплуатации изделия.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе разрабатывался цифровой управляемый генератор шума. В ходе выполнения работы в первой главе проводились теоретические исследования, в области генератор шума, хаоса, ПЧП, ПСП, приведена общая классификация генераторов хасоса. Во второй главе выбран прототип устройства и приведено его описание, разработана структурная схема устройства, выбрано устройство управления – микроконтроллер, выбрана элементная база, разработана принципиальная схема устройства. В третьей главе произведен расчет габаритных размеров печатной платы, произведена трассировка в САПР DipTrace, получена 3Dмодель устройства. В четвертой главе выполнены расчеты надежности устройства, тепловой расчет, расчет на виброустойчивость. В целом результаты выполнения дипломной работы соответствуют поставленным задачам и целям.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. В. Е. Гантмахер, Н. Е. Быстров, Д. В. Чеботарев. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка/В. Е. Гантмахер – СПб.: Наука и техника, 2005. – 400 с.2. Тузов, Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов/ Г.И. Тузов – М:, 1977. – 400 с.3. Гломба, С. Цифровые методы в космической связи /Под ред. С. Голомба. – М., 1969. – 271 с.4. Владимиров С. Н. Нелинейная динамика радиофизических систем: теоретические и прикладные аспекты., Томск. – 2005. – 22 с.5. Шахтарин Б. И. Генераторы хаотических колебаний: Учебн. Пособие /Б И. Шахтарин, П. И. Кобылкина, Ю. А. Сидоркина, А. В. Кондратьев, С. В. Митин. – М.: Гелиос АРВ, 2007. – 248 с.6. Шахтарин Б. И. Случайные процессы в радиотехнике: Цикл лекций/ Б. И. Шахтарин – М.: Радио и связь, 2000. – 584 с.7. Сидоркина Ю. А., Морозова В. Д., Кобылкина П. И. Источники хаотических колебаний с дискретным временем // Научный вестник МГТУ ГА № 62, серия Радиофизика и радиотехника. – М.: МГТУ ГА, 2003. – С. 140-147.8. Максимов В.М. Аппаратные и программные средства лабораторного стенда на основе микроконтроллера ATmega8535/ В.М. Максимов, изд-во ЧГУ 2010 г. – 75 с.9. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров.: Пер. с нем. — К.: «МК-ПРЕСС», 2006г. 10. «Программирование микроконтроллеров ATmega8535» Методические указания по проведению лабораторных работ Челябинск 2009 г.11. Сивоконь В.П. Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования: методические указания к выполнению практических работ для курсантов и студентов специальности 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» очной и заочной форм обучения– Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2017. –30с.– Текст непосредственный12. ГОСТ 2.301 − ГОСТ 2.321 «ЕСКД. Общие правила выполнения чертежей».13. ГОСТ 23594-79 «Маркировка».14. ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции».15. Белкин, И. М. Допуски и посадки / И.М. Белкин - М.: Машиностроение, 1992, 306с. - - Текст непосредственный16. Мягков, В.Д. Допуски и посадки: Справочник/ под ред. В.Д. Мягкова - М.: Машиностроение, 1982. - - Текст непосредственный17. Румянцев, В. П. Конструирование радиоэлектронных средств: Методические указания к курсовому проектированию / В.П. Румянцев - Рязань: РРТИ, 1993, 24с. - Текст непосредственный18. Дульнев, Г. Н. Методы расчета теплового режима приборов / Г. Н. Дульнев - М.: Радио и связь, 1990, 312с.: ил. - Текст непосредственный19. Борисов, А. А. Надежность зарубежной базы. Зарубежная радиоэлектроника: Каталог / А. А. Борисов., В. М. Горбачева., Г. Д. Карташов, 2000 №5, с.34-53.20. Аксенов, И. К. Основы конструирования радиоэлектронных приборов / И. К. Аксенов, А. А. Мельников . - М.: Высшая школа, 1986. - Текст непосредственный21. ОСТ 4Г0.091.219 – 76 «Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры. Методика оценки и нормативы показателей технологичности конструкций».22. ОСТ 4.ГО.054.010 «Сборка и пайка узлов на печатных платах. Типовые технологические процессы».23. Пыжевская, А. М. Полупроводниковые приборы и их аналоги/ Справочник, под общ. ред. А.М. Пыжевская – М.: РОБИ, 1992.24. Пирогова, Е. В. Проектирование и технология печатных плат / Е. В. Пирогова Е.В. − М.: «Форум «ИИФРА-М», 2005, 560 с. - Текст непосредственный25. Цветков, А. Ф. Расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры / А. Ф. Цветков А.Ф. - Рязань: РРТИ, 1973, 159с. - Текст непосредственный26. Дыкин, Ви. И. Расчет пластинчатых конструкций РЭС на вибрационные воздействия: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / РГРТА; Сост. В.И. Дыкин. Рязань, 1995, 28с. - Текст непосредственный27. Четверкова, И. И. Резисторы: Справочник / под общ. ред. И.И. Четверкова, В.М. Терехова – М.: Радио и связь, 1987. - Текст непосредственный28. Аксенов, А.И. Элементы схем бытовой РА. Диоды. Транзисторы / А.И. Аксёнов, А.В. Нефёдов, А.М. Юшин, М: «Радио и связь», 1993. - Текст непосредственный29. Браун, М. Источники питания/ М. Браун, Киев, «МК-Пресс», 2007. - Текст непосредственный30.Грабовски, Б. Справочник по электронике/ Б. Грабовски. – М.: «ДМК», 2009. - Текст непосредственный31. Алешина, Н. П. Сварка, резка, контроль, справочник под редакцией/ Н.П.Алешина, Г.Г. Чернышева, том1, Москва, «Машиностроение», 2004. - Текст непосредственный32. Казаков, Ю. В. Сварка и резка материалов/ Ю.В. Казаков, издание 5, стереотипное, Москва, «Академия», 2006. - Текст непосредственный33. Дольский, А. М. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред. А.М. Дольского. – М.: Машиностроение, 2005. – 448с. - Текст непосредственный 34. Медведев, А.М. Технология производства печатных плат/А. М. Медведев, - М.: Техносфера, 2005. – Текст непосредственныйПРИЛОЖЕНИЕ А Генератор шума, схема структурнаяПРИЛОЖЕНИЕ БГенератор шума, схема электрическая принципиальнаяПРИЛОЖЕНИЕ ВУправляемый генератор шума, перечень элементовПозиционноеобозначениеНаименованиеКоличествоПримечаниеКонденсаторыC1,C4,C5,C8К30-3522мкФ×50В4C2,C3,C6,C70805-0.1мкФ4C9,C100402-20 пФ2C11К30-351мкФ×50В1РезисторыR1-R30402-330Ом3R40402-10кОм1Диоды VD1,VD2,VD428353VD31N40071МикросхемыDD1FT232RL1DD2ATmega85351DD3MC14015BD1DD44030CN1DA1L7805AB-V1Кварцевые резонаторыZQ1РПК1-16МГц1ПРИЛОЖЕНИЕ ГГенератор шума, сборочный чертежПРИЛОЖЕНИЕ ДБлок питания, схема структурнаяПРИЛОЖЕНИЕ ЕБлок питания, схема электрическая функциональная