Разработка энергосберегающего блока электронной коммутации

Тип:
Добавлен:

Оглавление

Введение

. Аналитический обзор

.1 Основные параметры широкополосных аналоговых сигналов

.2 Модели электронных ключей аналоговых сигналов

.3 Электронные ключи на диодах

.4 Электронные ключи на биполярных транзисторах

.5 Электронные ключи аналоговых сигналов на полевых транзисторах

.5.1 Сведенья о полевых транзисторах

.5.2 Электронный ключ на полевом транзисторе с p-n переходом и с изолированным затвором

.6 Сравнение различных типов ключей

.7 Разработка структурной схемы блока электронной коммутации

. Выбор элементной базы с помощью ЭВМ

. Разработка принципиальной схемы блока электронной коммутации

.1 Требования к разрабатываемому устройству

.2 Теоретическое исследование мультиплексора

.3 Выбор усилителя

.4 Расчет входного и выходного усилителя

.5 Расчет источника питания

.6 Конструкция блока электронной коммутации

. Расчет экономических показателей разработки

.1 Расчет полной себестоимости разрабатываемого устройства

.2 Расчет затрат на эксплуатацию разрабатываемого устройства

Заключение

Приложения

Введение

Широкое внедрение цифровой техники в отрасли связи связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции. транзистор коммутация усилитель аналоговый

В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства.

Цифровые методы передачи информации и цифровые устройства, реализованные на интегральных микросхемах, в том числе на микропроцессорных средствах, имеют широкие перспективы использования в цифровых системах передачи и приема информации. Их использование эффективно, прежде всего, в системах коммутации и системах передачи, а также в телевизионной, радиовещательной, радиоприемной и другой аппаратуре связи.

Цифровые способы обработки электрических сигналов, передачи и приема их в цифровой форме, обладают значительными преимуществами, такими как повышение помехозащищенности канала связи, уменьшение размеров оборудования, уменьшение потребления электроэнергии. Поэтому цифровые системы уже сейчас занимают главенствующее положение в технике связи, радиоэлектронной технике. Они состоят из импульсных и цифровых устройств осуществляющих усиление, генерирование, формирование, преобразование импульсных сигналов, используемых в системе. Цифровые устройства выполняют функции хранения и обработки цифровой информации, преобразование из аналоговой формы в цифровую и наоборот.

Независимо от функций выполняемых цифровыми устройствами, вводимую в них информацию и информацию выводимую из них представляют в форме кодовых комбинаций, элементами которых является логическая 1 и логический 0. В такой же форме циркулирует информация и внутри цифровых устройств. Таким образом, любая информация, включая и числа, в цифровых устройствах представляется последовательностью значений 0 и 1. При представлении чисел это приводит к необходимости отказа от десятичной системы счисления и использования таких систем счисления, в которых цифрами разрядов могли бы быть только 0 и 1.

Основная цель внедрения микропроцессорных средств вычислительной техники в связь заключается в повышении производительности труда работников отрасли, улучшении качества обслуживания абонентов и клиентуры, расширении видов предоставляемых услуг. К таким устройствам относится электронный коммутатор. Он используется в отраслях связи в основном как коммутатор абонентов. В настоящее время в телефонных системах коммутации широко используются электромагнитное рыле для коммутации сообщений, но в современных цифровых АТС и СП используется исключительно электронная коммутация, где основным элементом является электронный коммутатор. В связи с этим повысилась скорость коммутации и качество обслуживания абонентов. В процессе эксплуатации разрабатывались новые устройства блоков коммутации, улучшались характеристики, конструкция и их доступность в техническом обслуживании.

Аналоговые широкополосные ключи применяются в системах связи, в коммутаторах программ телевизионного вещания, в цифро-аналоговых преобразователях сигналов. Большое количество различных ИМС коммутаторов и мультиплексоров дает возможность разработчикам решить многие проблемы и задачи.

Развивающимся типом ИМС являются мультиплексоры. Мультиплексоры - многоканальные коммутаторы, которые управляются двоичным кодом. Основная область применения мультиплексоров - устройства разделения каналов. Мультиплексоры могут коммутировать как аналоговые так и цифровые сигналы. Использование мультиплексоров существенно сокращает объем, энергопотребление и массу оборудования.

. Аналитический обзор

1.1 Основные параметры широкополосных аналоговых сигналов

Аналоговый сигнал - это сигнал, который может принимать различные значения в определенных приделах, например, напряжение может изменяться в пределах от нуля до десяти вольт. Широкополосные аналоговые сигналы широко применяются в системах передачи и обработки информации. Так же в системах передачи многоканальной электросвязи, в коммутаторах программ телевизионного вещания, в цифровых преобразователях аналоговых сигналов. Для обеспечения работы широкополосных аналоговых ключей телекоммуникационные системы и различные группы передачи информации должны удовлетворять жестким требованиям по нелинейным искажениям, по частотным искажениям, динамическому диапазону, коэффициенту передачи, переходному затуханию, быстродействию, надежности, экономичности, габаритным размерам и массе. Механические и квазиэлектронные устройства коммутации не удовлетворяют перечисленным требованиям. Поэтому при разработках новых блоков коммутации использовать в качестве ключей электронные устройства и элементы.

Коммутационные элементы характеризуются следующими основными

параметрами:

коммутационный коэффициент К, вычисляется по формуле

К = , (2.1)

Где - сопротивление элемента в закрытом состоянии, Ом;

сопротивление элемента в открытом состоянии, Ом.

быстродействие, другими словами, максимальная частота переключения элемента из одного состояния в другое. Под быстродействием понимается время перехода из одного состояния в другое;

технический ресурс, то есть наработка элемента до предельного значения, определяется допустимым числом срабатываний или допустимым состоянием. Ресурс - долговечность времени работы.

интенсивность отказов, вероятность отказа элемента в единицу времени

Основными показателями качества электронного ключа аналогового сигнала являются:

диапазон рабочих частот Δf;

неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот;

динамический диапазон коммутируемых сигналов D;

коэффициент нелинейных искажений ;

коэффициент передачи в открытом состоянии ;

коэффициент передачи в закрытом состоянии ;

переходное затухание ;

потребляемая мощность .

Все электронные ключи и коммутаторы аналоговых сигналов делятся по виду технологии изготовления на:

диоды;

биполярные;

оптоэлектронные;

электровакуумные;

тринисторные, динисторные;

полевые.

.2 Модели электронных ключей аналоговых сигналов

Широкое применение получили двухполюсные и четырехполюсные электронные ключи. Модель двухполюсного ключа представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Модель двухполюсного ключа

Двухполюсный ключ прост и содержит один коммутационный элемент .

На высоких частотах переходное затухание уменьшается из-за влияния монтажной () и собственной () емкостей ключа. Для того чтобы ЭКАС имел в состоянии «включено» коэффициент передачи, близкий к единице, необходимо использовать в нем ключевые элементы с низким сопротивлением в открытом состоянии и работать на достаточно высокоомную нагрузку. Для расчета коэффициента передачи в открытом состоянии используем формулу:

=, (2.2)

Где - сопротивление нагрузки, Ом;

- сопротивление в открытом состоянии, Ом;

- сопротивление генератора, Ом.

В качестве используются диоды, транзисторы, фотосопротивления.

Низкие значения обеспечивают диоды и биполярные транзисторы, но использование этих элементов ограничивает возможности электронных ключей коммутировать сигналы с низким уровнем из-за остаточного напряжения, созданного в цепи. Ключи на основе полевых транзисторов имеют отличную гальваническую развязку цепей сигнала и управления, а потенциальное управление обеспечивает высокую экономичность электронного ключа. Использование в качестве коммутирующего элемента полевой транзистор позволяет избежать проблем с коммутацией сигналов с низким уровнем, но маломощные полевые транзисторы обладают значительно большими сопротивлениями , чем диоды и биполярные транзисторы. Это вынуждает применять высокоомные нагрузки для получения значений , близких к единице. Использование высокоомных нагрузок благоприятно сказывается на снижении нелинейных искажений, обусловленных нелинейностью выходных характеристик ключевых элементов. Однако увеличение сопровождается ухудшением частотных свойств электронного ключа и снижением переходного затухания. Последнее обусловлено увеличением коэффициента передачи в закрытом состоянии и вычисляется по формуле:

= , (2.3)

Где - сопротивление нагрузки, Ом;

- частота, Гц;

- собственная ёмкость ключа, Ф;

- монтажная ёмкость, Ф;

- сопротивление генератора, Ом.

Важнейшим показателем аналогового ключа является переходное затухание . Величина переходного затухания показывает, во сколько коэффициент передачи ключа в состоянии «включено» больше коэффициента передачи в состоянии «выключено». Переходное затухание вычисляется по формуле:

= = , (2.4)

Где - коэффициент передачи в открытом состоянии;

- коэффициент передачи в закрытом состоянии;

- сопротивление нагрузки, Ом;

- собственная ёмкость ключа, Ф;

- монтажная ёмкость ключа, Ф;

- сопротивление генератора, Ом;

сопротивление в открытом состоянии, Ом.

Ещё одним важным показателем электронного ключа являются вносимые им нелинейные искажения. При подаче на вход синусоидального напряжения, нелинейные искажения в процентах можно получить рассчитав коэффициент гармоник по формуле:

= (2.5)

Где - входное напряжение, В;

- напряжение затвор - исток отсечки, В;

- напряжение затвор - исток, В;

- сопротивление нагрузки, Ом;

- сопротивление сток - исток в открытом состоянии, Ом.

Очевидно, для обеспечения малых нелинейных искажений сигнала следует использовать транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии и большим напряжением отсечки. Понятно, что нелинейные искажения ключа уменьшаются с ростом сопротивления нагрузки , но следует учитывать, что увеличение сопротивления нагрузки сопровождается снижением переходного затухания ключа.

Для того чтобы решить задачу реализации коммутационных устройств с малыми нелинейными искажениями не целесообразно использовать двухполюсные ключи, для этого используются четырехполюсные ключи. Четырехполюсные ключи обладают хорошими частотными свойствами и приемлемыми переходными затуханиями между каналами. Модель четырехполюсного ключа приведена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 Модель четырех полюсного электронного ключа

В четырехполюсном ключе электронный кдюч образован коммутационными элементами и . В состоянии «включено» два элемента имеют минимальное сопротивление, a - максимальное. В состоянии «включено» используются противоположные состояния этих элементов. Частотные свойства четырехполюсного ключа лучше, чем двухполюсного. В основном приходится считаться с влиянием лишь монтажной емкости , которая невелика при продуманном монтаже.

.3 Электронные ключи на диодах

Электронные ключи на основе диодов просты, поэтому представляют большой интерес. Диодные аналоговые ключи чаще всего применяются для переключения токов.

На рисунке 2.3 приведена схема диодного переключателя тока состоящая из двух диодов и нагрузки.

Рисунок 2.3 Диодный ключ на двух диодах.

Схема на рисунке 2.3 предназначена для использования при малых сопротивлениях источника сигнала и сопротивления нагрузки . При подаче на управляющий вход положительного напряжения диод VD1 закроется и ток из источника тока через открытый диод VD2 проходит в нагрузку. Для переключения тока в другую ветвь цепи на управляющий вход следует подать отрицательное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение на VD1. Необходимые перепады управляющего напряжения для таких ключей обычно составляют единицы вольт. Дифференциальное сопротивление такого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений используемых в нем диодов и может составлять 1...50 Ом в открытом состоянии. Недостатком этого ключа является прохождение тока управляющего сигнала через нагрузку и через источник сигнала. Протекание тока через нагрузку вызывает в нем большое начальное напряжение которое различно при открывании различных ключевых устройств вследствие их не идентичности, а так же не идентичности импульсов тока управления. Мостовой диодный ключ лишен такого недостатка. Мостовой диодный ключ представлен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 Мостовой диодный ключ.

Для коммутации напряжения наиболее популярным вариантом является именно этот ключ. Его преимущества в том, что он предоставляет хорошую развязку между входом и выходом, а так же он способен пропускать широко полосные одно- и двуполярные сигналы без существенных искажений. В этой схеме цепь управления имеет развязку с цепью передачи сигнала. Если напряжение управления равно нулю или имеет полярность, запирающую диодный мост, то ключ разомкнут. При положительной полярности источника управляющего сигнала ключ замыкается. Ток управления в такой схеме проходит только через диоды VD1−VD4 и сопротивление . Видно, что для цепи передачи сигнала диодные пары VD1, VD2 и VD3, VD4 включены встречно, напряжение смещения также будет равно разности прямых падений напряжения на диодах.

1.4 Электронные ключи на биполярных транзисторах

Ключи на биполярных транзисторах применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные последовательные транзисторы и параллельные транзисторы, так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, которые получили название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току. Электронные ключи аналоговых сигналов на биполярных транзисторах обычно используются при малых коммутируемых токах, при этом основную роль играет составляющая погрешности, которая обусловлена остаточным напряжением . Чтобы уменьшить остаточное напряжение используем схему с последовательным включением двух одинаковых транзисторов навстречу друг к другу, тогда остаточное напряжение рассчитывается по формуле:

= , (2.6)

Где - первое остаточное напряжение, В;

- второе остаточное напряжение, В.

Схема двухполюсного электронного ключа на биполярном транзисторе приведена на рисунке 2.5

Рисунок 2.5 Схема двухполюсного электронного ключа на БТ

Основная сложность применения таких ключевых элементов состоит в

усложнении схемы цепи управления, которая должна быть изолирована от источника сигнала и нагрузки. Часто в этой схеме используется гальваническая развязка в виде трансформатора.

1.5 Электронные ключи аналоговых сигналов на полевых транзисторах

1.5.1 Сведенья о полевых транзисторах

Полевой транзистор, который применяется в качестве ключа, обладает преимуществами по сравнению с другими элементами. Из всех плюсов выделяются отсутствие остаточного напряжения на открытом транзисторе, оно составляет порядка менее 1 мкВ. Это свойство позволяет применять полевые транзисторы для коммутации аналоговых сигналов уровня менее 100 мВ, а так же высокие пробивные напряжения позволяют коммутировать также сигналы высокого уровня величина которых более 10В, а соответствующим выбором режима полевого транзистора осуществляется лучшая температурная стабильность параметров, чем у биполярного транзистора.

Аналоговые ключи имеют ряд свойств:

высокие скорости замыкания и размыкания ключей;

простота технологии изготовления;

большое соотношение сопротивлений замкнутого и разомкнутого ключа;

хорошая гальваническая развязка цепей коммутируемого сигнала и управления.

Используя полевые транзисторы в ключевых схемах в коммутации аналогового сигнала интерес представляют динамическое сопротивление открытого транзистора , сопротивление запертого транзистора , ток стока запертого транзистора , напряжение запирания , допустимое напряжение на затворе .

Полевые транзисторы допускают более высокую степень интеграции. Быстродействие намного меньше, чем у биполярных транзисторов из-за больших входных и выходных сопротивлений, а мощность рассеяния значительно больше, чем у биполярного транзистора и это увеличивает степень интеграции.

1.5.2 Электронный ключ на полевом транзисторе с p-n переходом и с изолированным затвором

Известно, что полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток .

Рисунок 2.6 Схема с последовательным включением транзистора

На рисунке 2.6 приведена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом.

Если в этой схеме управляющее напряжение установить меньшим, чем минимально-возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.

Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала и если же это напряжение станет больше нуля, то управляющий p-n-переход откроется, и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления, но равенство нулю непросто реализовать, так как потенциал истока изменяется согласно изменению входного потенциала. Более простой путь преодоления этой трудности показан на рисунке 2.7

Рисунок 2.7. Электронный ключ на ПТ с «плавающем» затвором

Если напряжение установить бoльшим, чем максимально-возможное входное напряжение коммутатора, то диод VD закроется и напряжение будет, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала и это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в том случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода можно избежать, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (он же МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подав управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Поэтому, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе . Схема ключа на МОП-транзисторе приведена на рисунке 2.8. В схеме ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при ≤ 0.

Рисунок 2.8. Схема ключа на МОП-транзисторе

МОП-структуры имеют малую мощность потребления из-за того, что затвор МОП-транзисторов изолируется от канала диэлектриком, управляющее напряжение может положительным и отрицательным относительно стока и истока. Это свойство позволяет расширить динамический диапазон и упростить схему управления ключевыми устройствами на полевых транзисторах, так как нет необходимости изменять потенциалы затвора в зависимости от диапазона измерения сигнала.

Так же МОП-структуры обладают другими преимуществами:

высокоомный вход;

допускающее управление по напряжению;

высокое быстродействие. Это обусловлено тем, что в канале отсутствуют равновесные носители заряда;

сочетание большого напряжения и тока переключения с высоким быстродействием;

возможность параллельного включения транзисторов для увеличения коммутируемой мощности.

ПТ с МОП-структурой с индуцированным каналом предпочтительно применять для ключей потому, что при использовании таких приборов можно изготавливать интегральные микросхемы, где на одной подложке совмещаются коммутирующие и управляющие схемы. Еще одна причина предпочтения данных транзисторов это то, что ключи на таких транзисторах находятся в разомкнутом состоянии при отключенном напряжении питания.

Подводя итог, можно сказать, что наибольшее применение ключи и коммутаторы на МОП-транзисторах из-за:

высокого уровня интеграции;

низкой стоимости;

отсутствие остаточного напряжения;

надёжная гальваническая развязка управляющей и коммутирующей цепи;

большое соотношение сопротивлений в открытом и закрытом состояниях;

низкий уровень шумов;

симметричность характеристик.

Так же можно сказать о недостатках. Существенным недостатком МОП-транзисторов по сравнению с транзисторами с p-n переходом является временная нестабильность их параметров. Для транзисторов с индуцированным каналом величина дрейфа в среднем равна от 0,5 да 1,0 В в течении часа. Временный дрейф обуславливает временную нестабильность , а так же задерживает выключение транзистора после снятия смещения с затвора. Проявление временной нестабильности зависит от конструкции и технологии МОП-транзистора, поэтому применение специальных технологических методов при изготовлении МОП-транзисторов уменьшает этот эффект.

.6 Сравнение различных типов ключей

Сравним ключи, которые выполнены на различных коммутационных элементах и выберем лучшее. Если рассматривать ключи на биполярных транзисторах и диодах, то им принадлежат ряд недостатков, не смотря на их достоинство - низкое значение сопротивления в открытом состоянии. Такие ключи имеют большое остаточное напряжение, большую потребляемую мощность и плохую гальваническую развязку цепей сигнала и управления. Они не обеспечивают хорошее качество коммутации.

Подводя итог, лучшим вариантом являются ключи на полевых транзисторах. Они имеют минимальное значение остаточного напряжения равное практически нули. Наличие полевых транзисторов предполагает получение больших значений его входных и выходных ёмкостей. Повышение частоты входного сигнала приводит к падению коэффициента усиления каскада и также растет входной ток. Главным преимуществом полевого транзистора является его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Еще одно не маловажное преимущество - это простота изготовления и малая мощность потребления.

Для коммутации широкополосных сигналов целесообразно применять мультиплексоры типа КР590КН1 и 733КН1Б-2, они обладают малыми гармоническими искажениями. Эти ИМС рекомендуются для построения электронных коммутационных полей систем передачи для коммутации сигналов первичных, вторичных и третичных групп. В данных мультиплексорах коммутационный ключ построен на Т-образной схеме. Преимуществом такой схемы является малая зависимость от сопротивления в открытом состоянии и тока утечки от коммутируемого напряжения, возможность коммутировать на всем диапазоне рабочих частот. Так же есть и недостатки - удвоенное значение сопротивления в открытом состоянии и остаточного напряжения.

.7 Разработка структурной схемы блока электронной коммутации

Структура коммутатора напрямую зависит от предъявленных к нему технических и функциональных требований. Простая структура коммутатора содержит только коммутационные элементы. Структурная схема простейшего мультиплексора приведена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9. Структурная схема простейшего мультиплексора

В этом устройстве имеется несколько входов и один выход. При подаче соответствующего управляющего сигнала любой из входов соединяется с выходом. Сопротивление коммутационного элемента в открытом состоянии конечная величина, тогда с целью компенсации остаточного затухания в канал коммутации следует ввести усилитель с соответствующим коэффициентом усиления.

Использование буферного усилителя на входе коммутатора даёт возможность добиться согласования входа коммутатора с источником сигнала, а включение буферного усилителя на выходе коммутатора дает возможность согласования его выхода с сопротивлением нагрузки.

Рисунок 2.10. Структурная схема коммутатора с буферным усилителем на выходе.

Так же если использовать буферный усилитель на входе, то можно будет объединять одноименные входы нескольких коммутаторов за счет высокого входного сопротивления, а на буферный усилитель на выходе позволит повысить затухание коммутатора в закрытом состоянии за счет низкого выходного сопротивления. Структурная схема коммутатора с буферным усилителем на выходе представлена на рисунке 2.10.

Выходной БУ позволяет получить меньшие гармонические искажения в устройстве и улучшить развязку между соседними каналами коммутации при объединении коммутаторов в ЭКП.

Чтобы повысить затухания в закрытом состоянии, а так же для повышения затухания между соседними каналами ЭКП, в общий тракт коммутации следует ввести дополнительный коммутационный элемент. Структура коммутатора с усилителем и дополнительным коммутационным элементом на выходе представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11. Структура коммутатора с усилителем и дополнительным коммутационным элементом на выходе.

Введение дополнительного коммутационного элемента позволяет в коммутаторе создать режим преднабора. В этом режиме вначале осуществляется коммутация соответствующего входа или выхода, проверка правильности коммутации, а только потом подключение к выходу или входу.

Использование схем где на входах и на выходе буферный усилитель позволяет подстраиваться требованиям, которые предъявляются к ЭКП. Для обеспечения требуемого коэффициента передачи в открытом состоянии, коэффициента нелинейных искажений и затухания в состоянии «выключено» необходимо в данной работе использовать схему структура которой представлена на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12. Структурная схема блока электронной коммутации

. Выбор элементной базы с помощью ЭВМ

В настоящее время у инженеров-разработчиков электронной аппаратуры имеется множество альтернативных вариантов в выборе полупроводниковых приборов. Выбор оптимального варианта возможен лишь при решении многокритериальных задач, связанных с анализом огромных массивов справочной литературы.

Сложной задачей в рассматриваемой системе является создание банка данных по всем типам технических решений. Банк данных - это информационный массив, который содержит набор данных о параметрах и показателях ТР. Параметры ТР выбираются из справочной литературы. При отсутствии значений отдельных параметров технического решения в справочной литературе необходимо их экспериментальное отделение. Если возможность экспериментального определения недостающих параметров отсутствует, то массив получается неполным. Для работы на ЭВМ в таком массиве свободные места приходится заполнять условными знаками. В случае, если известна неполная совокупность параметров некоторых ТР и отсутствует возможность их экспериментального определения, решение задачи по выбору оптимального ТР является приближенным. Точность такого решения тем выше, чем меньше неизвестных параметров имеется у технического решения.

Для учета количества неизвестных параметров mнj по сравнению с общим числом параметров m, характеризующим каждое ТР производится с помощью коэффициента неопределенности:

(3.1)

Качество технического решения с учетом значимости параметров вводится абсолютный коэффициент качества вычисляют по формуле:

, (3.2)

Где - весовой коэффициент качества;

- коэффициент качества;

i - номер параметра;

m - количество параметров.

Для оценки качества ТР по совокупности параметров вычисляется нормированный коэффициент качества:

, (3.3)

Где - весовой коэффициент качества;

- коэффициент качества;

m - количество параметров;

i - номер параметра;

Для определения степени приближений параметров технического решения к оптимальному решению вводится коэффициент идеальности, который вычисляется по формуле:

, (3.4)

Где - коэффициент качества;

m - количество параметров;

i - номер параметра.

Для выработки единой системы оценки качества технического решения по отдельным параметрам предлагаются две формулы. Для параметров, максимальным значениям коэффициентов качества используется формула:

(3.5)

Где і - номер учитываемого параметра;

j - номер технического решения;

справочное значение i-го параметра среди всех технических решений.

Для параметров, минимальные значения которых должны соответствовать максимальным значениям коэффициентов качества, используется следующая формула:

(3.6)

Где - максимальное справочное значение i-го параметра;

- минимальное справочное значение i-го параметра;

- справочное значение i-го параметра среди всех технических решений.

Каждое ТР характеризуется совокупностью электрических, конструктивных, экономических и других параметров. Требуется определить значимость отдельных параметров зависимости от области применения ТР. Одним из методов определения значимости каждого параметра является метод априорного ранжирования. Он основывается на опросе высококвалифицированных специалистов в данной области. При проведении практических занятий роль экспертов выполняют студенты.

Экспертам ставится задача расположить параметры технического решения в порядке убывания их значимости. В тех случаях, когда эксперт считает одинаковой значимость двух или более параметров, то этим параметрам присваиваются одинаковы номера. В зависимости от занимаемого номера параметру присваивается весовой коэффициент. Затем данные опросы экспертов приводятся к нормированным значениям весовых коэффициентов, где максимально возможный коэффициент принята единица.

Рисунок 3.1 Алгоритм выбора технических решений.

Блок 1 производит ввод исходных данных. В памяти ЭВМ содержится информация о всех n ТР и их m параметрах. Пользователь вводит обобщенные экспертами весовые коэффициенты значимости KBi параметров ТР. Весовые коэффициенты значимости отдельных параметров выбираются в пределах 0…1 в зависимости от области применения ТР.

Блок 2 используется для нахождения максимального и минимального значений параметра xi.

Блок 3-14 образуют циклический процесс. Здесь, блок 5 проверяет значение параметра, если оно не определено, то в счетчике числа неопределенных параметров прибавляется единица, в противном случае происходит переход к блоку 7, который определяет по какой из двух формул (П2 или П3) производить вычисление коэффициентов качества по каждому параметру для всех вариантов технических решений (блоки 8 и 9). Блок 10 производит накопление значений коэффициентов качества по каждому ТР и вычисление абсолютного коэффициента качества (Qaj).

Если произведены расчеты коэффициентов качества и абсолютных коэффициентов качества всех анализируемых ТР (j=n) по всем параметрам (i=m), то управление передается блоку 15. Здесь производится вычисление нормированных коэффициентов качества (KHKj), коэффициентов идеальности (KUj) и коэффициентов неопределенности (KHj).

Блок 16 производит размещение анализируемых ТР в порядке убывания численных значений абсолютных коэффициентов качества. Блок 17 используется для вывода на печать ранжированного ряда ТР.

Рисунок 3.2. Алгоритм выбора технических решений.

При выборе значений весовых коэффициентов можно воспользоваться следующими рекомендациями:

в случае если параметр является важнейшим, от его выбора зависят основные свойства разрабатываемого устройства, то ему присваивается весовой коэффициент равный 1;

в случае если параметр является важным, от его выбора зависит один из параметров разрабатываемого устройства, то ему присваивается весовой коэффициент от 0,5 до 0,9;

в случае если параметр является второстепенным для разработки устройства, то ему присваивается весовой коэффициент от 0,2 до 0,4;

в случае если параметр можно не учитывать при разработке устройства, то ему присваивается весовой коэффициент от 0 до 0,1.

На основании изложенных критериев оценок качества разработан алгоритм выбора перспективных типов технического решения и приведен на рисунке 3.1 и 3.2.

Выбирая операционный усилитель, нужно учитывать требования, которые к ним предъявляются:

высокий коэффициент усиления по напряжению;

большое входное сопротивление;

быстродействие;

полоса пропускания.

Стабилитроны выбираем достаточно распространенные и недорогие К142ЕН6 с напряжение стабилизации от 9 до 15 В, и током стабилизации от 2 до 6 мА.

. Разработка принципиальной схемы блока электронной коммутации

3.1 Требования к разрабатываемому устройству

Техническое задание дипломного проекта предусматривает обеспечение высокого переходного затухания, а так же, малые нелинейные искажения. Так же, при разработке принципиальной схемы, следует учитывать конструктивные особенности устройства. Поэтому при выборе элементной базы следует руководствоваться принципами, которые обеспечивали бы соответствие расчетных и заданных технических характеристик, а также обеспечивали бы минимальное количество необходимых элементов, входящих в данное устройство для упрощения конструкции.

3.2 Теоретическое исследование мультиплексора

Для того чтобы исследовать зависимости параметров микросхемы от сопротивления нагрузки необходимо рассчитать коэффициент передачи ключа в открытом и закрытом состоянии ключа, коэффициент гармоник и переходное затухание.

Коэффициент передачи в открытом состоянии вычисляется по формуле:

= , (4.1)

Где - сопротивление нагрузки, Ом;

- сопротивление ключа в открытом состоянии, Ом;

Теперь коэффициент передачи в закрытом состоянии :

= , (4.2)

Где - сопротивление нагрузки, Ом;

- верхняя частота рабочего диапазона;

- эквивалентная ёмкость ключа, Ф.

Переходное затухание :

= , (4.3)

Где - коэффициент передачи ключа в открытом состоянии;

- коэффициент передачи ключа в закрытом состоянии.

Коэффициент гармоник в процентах:

= , (4.4)

Где - напряжение на входе ключа, В;

- напряжение отсечки, В;

- напряжение затвор - исток, В;

- сопротивление в открытом состоянии, Ом;

Исходные данные:

= 80 Ом;

= 200 Ом;

= 10 МГц;

= 0,1 В;

= 0 В.

Рассчитав параметры ИМС запишем их в таблицу 4.1

Сопротивление , кОмПараметры, дБ, %0,10,513,1∙850,190,20,76,2∙80,50,120,50,811,55∙75,20,061,00,933,1∙700,031,50,954,65∙66,10,022,00,966,19∙64,20,01

Построим график зависимости переходного затухания от сопротивления нагрузки опираясь на данные таблицы 4.1.

Рисунок 4.1 График зависимости переходного затухания от сопротивления нагрузки.

В результате исследования зависимости параметров микросхемы, можно сказать, что оптимальные параметры микросхемы достигаются при сопротивлении нагрузки 200 Ом. Расчеты показывают, что при сопротивлении нагрузки 200 Ом обеспечиваются все параметры, которые требуются в техническом задании.

.3 Выбор усилителя

Как уже говорилось, буферный усилитель на входе обеспечивает согласование с источником сигнала, а буферный усилитель для компенсации сопротивлений каналов коммутации. Входные усилители способствуют увеличению переходного затухания между каналами электронного коммутационного поля за счет низкого выходного сопротивления входных буферных усилителей. Так как микросхема для коммутации широкополосных сигналов, то и усилитель должен работать с достаточно большим частотным диапазоном. Для более полной характеристики частотных свойств усилителя его работу характеризуют частотой единичного усилителя, которая соответствует единичному коэффициенту усиления. Тогда при выборе требуемого усилителя будем опираться на частоту единичного усиления которая должна быть не менее 10 МГц. Широкополосные усилители имеют высокую единичную частоту, но по остальным показателям уступают другим ОУ. Так же у усилителей высокой частоты достаточно большой коэффициент нелинейности амплитудной характеристики, что приводит к значительным искажениям формы сигнала, а также не отвечает требованиям технического задания. Поэтому наилучшим вариантом использования широкополосных коммутаторах являются операционные усилители, которые благодаря высоким качественным показателям, превратились в универсальные устройства для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Операционные усилители имеют наиболее высокую степень интеграции, обладают высокими входными и выходными сопротивлениями, большим коэффициентом усиления. Ещё операционные усилители имеют широкий диапазон напряжения питания, малый размер и массу.

В операционных усилителях широко применяется отрицательная обратная связь. Благодаря высокому коэффициенту усиления, которым обладают операционные усилители использование обратной связи даёт возможность выполнить устройства с высокими качественными показателями. Отрицательная связь уменьшает коэффициент усиления, но при использовании обеспечивается его стабилизация, расширение частотной характеристики, уменьшение нелинейных искажений, а так же улучшение других характеристик.

Многие типы операционных усилителей изготавливаются так, чтобы при их включении с относительно малыми значениями коэффициента усиления при наличии обратной связи можно было подключать внешние элементы коррекции такие, как конденсаторы и иногда резисторы, и называются нескорректированными, или операционные усилители с внешней коррекцией. АЧХ операционного усилителя имеет несколько точек излома, как правило соответствующих числу каскадов в нем. После каждого такого излома наклон спадающей характеристики увеличивается на дБ на декаду. ФЧХ операционного усилителя образуется суммированием фазовых сдвигов, вносимых отдельными каскадами. Каждому излому АЧХ соответствует увеличение фазового сдвига на 45 градусов. Чтобы предотвратить генерации в усилителе осуществляется частотная коррекция, которая изменяет АЧХ операционного усилителя так, чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости. Элементы коррекции изменяют АЧХ операционного усилителя без обратной связи так, что ее спад во всем частотном диапазоне составляет 20 дБ на декаду. Если частота, на которой начинается спад коэффициента усиления со скоростью 20 дБ на декаду за счёт действия корректирующей цепи, будет слишком низкой, то это приведет к ограничению полосы пропускания устройства. Если указанная частота будет слишком высокой, то это может привести к самовозбуждению или к возбуждению высококачественных выбросов даже когда операционный усилитель охвачен внешней обратной связью. В случае если не требуется обеспечивать широкой полосы пропускания, то запас устойчивости можно обеспечить за счет сдвига точки излома частотной характеристики в область низких частот. Операционные усилители с внутренней частотной коррекцией так же удобны для применения если не требуется широкая полоса пропускания. Сейчас промышленность выпускает ряд операционных усилителей с полной частотной коррекцией. АЧХ таких ОУ имеет постоянную крутизну в полосе пропускания, которая равна 20 дБ на декаду. Это гарантирует устойчивую работу в различных применениях. Цепи коррекции приводят к ограничению полосы пропускания.

В данном дипломном проекте мы будем использовать достаточно распространенный ОУ серии К544УД2, параметры которого удовлетворяют техническим требованиям.

Интегральные микросхемы К544УД2 выполнены по комбинированной биполярно-полевой технологии, формирующей на одном кристалле n-канальные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, npn-транзисторы и вертикальные рnр-транзисторы. При этом за счёт использования полевых транзисторов на входе решаются проблемы входного сопротивления и входного тока, а сочетание этих же транзисторов и вертикальных рnр-транзисторов позволяет оптимально решить вопросы широкополосности и быстродействия при относительно небольшом токе потребления.

К544УД2 имеют полную внутреннюю частотную коррекцию, рассчитанную на все масштабные режимы отрицательной обратной связи, в том числе - повторитель напряжения. С целью оптимизации динамических параметров в каждом конкретном случае применения в К/КР544УД2 предусмотрена возможность управления внутренней коррекцией путём замыкания или размыкания выводов 1 и 8 микросхемы. При замыкании выводов 1 и 8 коррекция включается, при размыкании - отключается. Построение электрической схемы К544УД2 обеспечивает устойчивую работу с отключённой коррекцией при масштабном коэффициенте усиления от 20 и выше. В таких случаях отключение коррекции значительно улучшает динамические параметры К544УД2 по сравнению с традиционно используемым в аналогах её постоянным включением. Так при Ку = +20 достигается произведение усиление на полосу пропускания более 200 МГц и скорость нарастания около 110 В/мкс.

Рисунок 4.2 Условное графическое обозначение К544УД2.

Рисунок 4.3 Амплитудно-частотная характеристика К544УД2

3.4 Расчет входного и выходного усилителя

Рисунок 4.5 Схема входного усилителя.

Общий коэффициент передачи в открытом состоянии для каждого канала коммутации равен единице. Общий коэффициент передачи канала коммутации вычисляют по формуле:

= ∙∙, (4.5)

Где - коэффициент передачи входного усилителя, раз;

- коэффициент передачи выходного усилителя, раз;

- коэффициент передачи мультиплексора, раз.

Коэффициент передачи входного усилителя вычисляют по формуле:

= , (4.6)

Где - общий коэффициент передачи канала коммутации, раз;

- коэффициент передачи выходного усилителя, раз;

- коэффициент передачи мультиплексора, раз.

Подставляем в формулу (4.6) значения:

= = 1,25

Входной усилитель должен обеспечить усиление в 1,25.

Коэффициент усиления вычисляется по формуле:

= , (4.7)

Где - входное сопротивление усилителя, Ом;

, - сопротивление, Ом;

- сопротивление на входе канала коммутации, Ом.

Входное сопротивление усилителя , вычисляют по формуле:

= = , (4.8)

Где , - сопротивление, Ом;

= 2 кОм;

= 1,25 раз;

= 75 Ом;

Подставляя значения в формулу (4.7) где найдем

1,25 =

0,3 =

Тогда находим по формуле:

= 0,3∙, (4.9)

Подставляем в формулу (4.8) и находим :

=

= = 8666,66 Ом = 8,66 кОм

Выбираем из ряда E24, ближайшее сопротивление 9,1 кОм

Подставляем найденную в (4.9) и находим:

= 0,3∙8666,66= 2599,99 Ом

Выбираем сопротивление из ряда E24, ближайшее сопротивление 2,7 кОм. Теперь найдем , который нужен для коррекции АЧХ усилителя в области верхних частот. При расчете необходимо учитывать коэффициент частотных искажений на высоких частотах. Коэффициент частотных искажений Mв вычисляем по формуле:

Мв = , (4.10)

Где М - неравномерность АЧХ, дБ. В техническом задании

M=0.1 дБ.

Корректирующую ёмкость на верхних частотах вычисляем по формуле:

= , (4.11)

Где Мв - коэффициент частотных искажений, дБ;

верхняя частота, МГц;

- сопротивление, Ом.

Рассчитаем коэффициент частотных искажений Мв:

Мв = = 1,011

Подставляем все известные значения в (4.10) и определяем величину корректирующей ёмкости на верхних частотах:

= = 9,112∙ = 0,91 пФ

Ближайший номинал конденсатора к расчетной равен 3,0 пФ

Коэффициент буферного усилителя на выходе равен единице, поэтому он является повторителем напряжения. Тогда важной способностью усилителя является согласование высокого внутреннего сопротивления источника сигналов с низким сопротивлением нагрузки. Повторитель напряжения имеет высокое входное сопротивление и может работать на низкоомную нагрузку. Выходное напряжение повторителя повторяет величину и форму входного напряжения. Понятно, что при очень близких по значению напряжениях входного и выходного сигнала коэффициент усиления по напряжению такого повторителя очень близок к еденице, другими словами, единичному усилению.

Схема выходного усилителя приведена на рисунке 4.6

Рисунок 4.6 Схема выходного усилителя.

3.5 Расчет источника питания

Источник питания предназначен для преобразования входной электроэнергии переменного, постоянного тока и обеспечивает электропитанием отдельные устройства РЭА. Для обеспечения электропитанием усилителей и коммутаторов необходимо применять стабилизированные источники питания. Напряжение этих источников должны быть отфильтрованы и стабилизированные, иначе при их изменении будут изменяться выходные напряжения.

Рассчитаем для разрабатываемого устройства суммарный потребляемый ток, необходимый для питания схемы. Схема включает в себя восемь входных усилителей и один выходной усилитель. Так потребляемый входным усилителям рассчитывается по формуле:

= ∙n, (4.12)

Где - ток потребление одного усилителя, А;

n - количество усилителей на входе.

= 7 мА;

n = 8.

Подставляя все известные значения в формулу (4.12) получаем ток потребляемый входными усилителями:

= 7∙8 = 56 мА = 0,056 А.

Ток потребляемый выходным усилителем рассчитывается по формуле:

= ∙m, (4.13)

Где - ток потребления усилителя, А;

m - количество усилителей на выходе.

= 7 мА;

m = 1.

Подставляем известные значения в (4.13) и рассчитываем потребляемый ток выходным усилителем:

= 7∙1 = 7 мА = 0,007 А.

Потребляемый ток коммутатора вычисляется по формуле:

= +, (4.14)

Где - максимальный ток потребления от положительного источника питания, мА;

- минимальный ток потребления от отрецательного источника, мА.

= 2+6 = 12 мА

Суммарный ток потребления схемы равен:

= ++ (4.15)

Подставляя все известные значения рассчитываем:

= 56+7+12=75 мА

Рассчитаем потребляемую мощность схемы:

= Рпотр.у+ Рпотр.к+Pвт.истд

= 1,89+1,69+0,21+0,015=3,8 Вт

При выборе типа стабилизатора преимущество отдается интегральным стабилизаторам. Так же, стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением имеют минимальную массу и габариты по сравнению с другими типами стабилизаторов, та как кроме входных и выходных конденсаторов небольшой ёмкости не требуют подключения других внешних элементов. Для питания коммутатора широкополосного сигнала нужен стабилизатор. В качестве стабилизатора удобно использовать двухполярный стабилитрон напряжения типа К142ЕН6. Фиксированное напряжение стабилизатора ±15 В. Ток нагрузки 200 мА. Схема стабилизатора напряжения приведена на рисунке 4.7

Рисунок 4.7 Схема включения стабилизатора.

3.6 Конструкция блока электронной коммутации

Устройство представляет собой печатную плату с расположенными на ней элементами электроники. Основа разрабатываемого устройства для расположения элементов служит печатная плата. Применение печатных плат существенно отличается от объемного монтажа своей компактностью, массой устройства.

В устройствах где не предъявляются серьезные требования к плотности монтажа (в основном это устройства малой сложности) применяются однослойные и двуслойные платы. В аппаратурах средней и большой сложности применяются многослойные платы. Однослойные и двуслойные печатные платы состоят из основания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные проводники.

Сама основа должна обладать достаточной механической прочностью, достаточно малыми диэлектрическими потерями, высокой термостойкостью. При производстве печатных плат часто используют стекло текстолит, гетинакс, фторопласт и другие диэлектрики. Для установки микросхем и других деталей на плате сверлят и металлизируют отверстия для пайки, которые располагают в узлах координатной сетки. Обычно шаг сетки равен 2,5 мм или 1,25 мм. Если требуется сделать шаг меньше, то точность размещения отверстий возрастает соответственно возрастает и стоимость печатных плат.

Большое распространение получили платы с расположением печатных проводников с одной и двух сторон основания.

Микросхемы располагают на печатных платах в ряд или в шахматном порядке. Установку и крепление микросхем на плате таким образом, чтобы была возможность без труда производить монтаж.

На печатную плату устанавливаются: микросхемы, резисторы, конденсаторы, разъем. Все элементы монтируются с помощью пайки. Так же допустимо крепление радиаторов для микросхем на печатную плату с помощью пайки или винтов.

Сборка изделия производится в ручную. Соединение деталей производится паяльником в соответствии с чертежем.

. Расчет экономических показателей разработки

4.1 Расчет полной себестоимости разрабатываемого устройства

Полная себестоимость разрабатываемого устройства складывается из нескольких показателей, а именно из:

прямые затраты. Сюда входят покупные изделия или полуфабрикаты;

основные и вспомогательные материалы;

заработная плата;

косвенные расходы;

На этапе разработки когда точная информация о составе технологических операций и трудоёмкости - не известны, используем укрупненный метод расчета.

Себестоимость изделия рассчитывается укрупненным методом по формуле:

= [++(1+α)](1+β), (5.1)

Где - затраты на покупные изделия (элементная база), руб;

- затраты на материалы, руб;

- затраты на оплату труда, руб;

α - коэффициент учитывающий накладные расходы. В нашем случае α=0,9;

β - коэффициент непроизводственных расходов. В нашем случае он равен 0.

Затраты на покупные изделия вычисляют методом прямого расчета по формуле:

= , (5.2)

Где - количество покупных изделий, шт;

- стоимость покупных изделий, руб;

- затраты на транспортные расходы, руб.

Стоимость покупных изделий определяется исходя из рыночных цен на момент проектирования и количества элементов с учетом транспортных расходов. В таблице 5.1 представлен расчет стоимости покупных изделий.

Таблица 5.1 расчет стоимости покупных изделий.

Наименование изделияКоличество изделия, шт.Цена изделия, руб.Стоимость изделия, руб.Микросхемы: К544УД2 К561ИД2 К564КП2 К561КТ3 К1402ЕН6 9 1 1 8 1 8,33 22,50 162,84 28 188,8 74,97 22,50 162,84 224 188,8Резистор391,246,8Конденсатор SMD23369Транспортные расходы40Итого828,91

Тогда затраты на покупные изделия составляют согласно формуле (5.2):

= 828,91 руб.

Стоимость материалов , которые используются при изготовлении устройства.

= ∙ , (5.3)

Где - затраты на покупные изделия, руб;

- удельный вес покупных изделий;

- удельный вес материалов;

Исходя из анализа принципиальной схемы разрабатываемого устройства, удельные веса , а .

Следовательно, стоимость материала по формуле (5.3)

= ∙0,09 = 116,56 руб.

Затраты на заработную плату вычисляем по формуле:

= ∙, (5.4)

Где - затраты на покупные изделия, руб;

- удельный вес покупных изделий;

- удельный вес оплаты труда. Он составляет 0,3.

Подставляем все значения в формулу (5.4), получаем:

= ∙0,3 = 388,55 руб.

Подставляем все вычисленные затраты в формулу (5.1)и вычислим себестоимость разрабатываемого устройства:

= [828,91+116,56+388,55 (1+0,9)]∙(1+0) = 1683.715 руб

Расчет полной цены устройства определяется с учетом полной себестоимости и плановой рентабельности. Полная цена Ц вычисляем по формуле:

Ц = С∙(1+), (5.5)

Где С - полная себестоимость производства, руб;

Р - плановая рентабельность, % (20-30%)

Подставляя все известные значения в формулу (5.5) получим:

Ц = 1683,715 ∙ (1+) = 2020,45 руб

.2 Расчет затрат на эксплуатацию разрабатываемого устройства

Затраты на эксплуатацию лабораторного устройства включает в себя:

затраты на оплату труда;

затраты на электроэнергию;

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.