653

Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС

Курсовая

Энергетика

Принцип работы ЦАП. Импульсный источник питания. Выходной выпрямитель и стабилизатор. Определение основных параметров четырехполюсника. Расчет допусков на входное и выходное сопротивление и коэффициент передачи четырехполюсника.

Русский

2013-01-06

334.5 KB

63 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева

национальный исследовательский университет

Кафедра КиПРЭС

Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС

Пояснительная записка к курсовой работе

Выполнил: Бозриков В.С.

Группа 546

Работа защищена с оценкой:_________

Руководитель проекта: Зеленский А.В.

Самара 2012

Содержание

1. Техническое задание №1 на курсовую работу.................................................4

1.1  Принцип работы ЦАП............................................................................4

1.1.1  Импульсный источник питания.........................................................4

1.1.2  Выходной выпрямитель и стабилизатор...........................................6

1.1.3  Блок управления..................................................................................7

1.1.4  Блок индикации...................................................................................8

1.2Расчет надежности РЭС по внезапным отказам....................................8

2. Техническое задание №2 на курсовую работу...............................................12

2.1 Определение основных параметров четырехполюсника..................13

2.2 Расчет допусков на входное и выходное сопротивление и коэффициент передачи четырехполюсника....................................14

Список использованных источников...................................................................19

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит:   19   с.,   5  рис.,    2   табл.,  5  источника.

цифро - аналоговый преобразователь, надежность, вероятность безотказной работы, четырехполюсник, передаточная характеристика,  допуск

Курсовая работа содержит две части:

Первая часть содержит расчёт внезапных отказов радиоэлектронного устройства. Результатом первого расчета является показатель надежности. Исходными данными для расчета являются коэффициенты нагрузки элементов, вероятность безотказной работы устройства в течение заданного времени, принципиальная электрическая схема устройства, условия эксплуатации, таблицы интенсивности отказов типовых элементов, входящих в состав данного устройства.

Вторая часть содержит расчеты допусков на входные и выходные параметры пассивного четырехполюсника. Результатом расчета являются допуски на входные и выходные сопротивления и коэффициент передачи четырёхполюсника.  

1. Техническое задание №1 на курсовую работу

«Расчет показателей надежности РЭС по внезапным отказам»

Рассматриваемое устройство представляет собой преобразователь цифрового сигнала в аналоговый. Устройство  представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, который позволяет получить на своем выходе аналоговый сигнал до 50В. Предусмотрена возможность подключения данного устройства к персональному компьютеру.  Значение выходного сигнала вводится с клавиатуры, либо передается сигнал в цифровом виде с ЭВМ по протоколу RS232.

Принципиальная схема преобразователя цифрового сигнала в аналоговый показана на чертеже в Приложении 1.

1.1 Принцип работы преобразователя

Одним из основных элементов устройства является микропроцессор. В программе реализованы функции управления отдельными узлами устройства.

Устройство состоит из источника питания, микропроцессора, ЦАП,  сравнивающего устройства, памяти, клавиатуры и индикации.

Значение выходного напряжения задается с помощью клавиатуры. МП в свою очередь подает на ЦАП сигнал, соответствующий необходимому выходному напряжению. Сигнал с ЦАП сравнивается с выходным напряжением ИП с помощью сравнивающего устройства СУ2, сигнал с которого после усиления поступает на управляющий элемент ИП. Значение выходного напряжения отображается на индикаторе. Также устройство имеет интерфейс RS232, по которому можно передавать на ЦАП данные, максимальное значение выходного напряжения выставляется с клавиатуры.

Сведения о выходном напряжении, а также о потребляемом нагрузкой токе и температуре мощных элементов схемы поступают на сравнивающее устройство СУ1, откуда – на МП, и если ток, потребляемый нагрузкой, или температура мощных элементов схемы превышает допустимые пределы, то срабатывает защита, заключающаяся в отключении нагрузки от устройства.

1.1.1 Импульсный источник питания

R1 - балластный резистор. Он ограничивает бросок тока зарядки конденсаторов C9 и C11 в момент подключения ИИП к сети. Для повышения КПД ИИП часто используют терморезистор или электронный балласт. Однако терморезистор ставить не эффективно, так как хотя при первоначальном включении ИИП он имеет минимальную температуру и его сопротивление велико, но при периодических включениях ИИП терморезистор уже нагрет и имеет низкое сопротивление. При этом узел не в состоянии выполнять свои функции, так броски тока могут достигать опасной величины. Применение электронного балласта в данном случае нерационально, так как мощность, потребляемая нагрузкой, достаточно мала и мощность потерь на резисторе будет меньше, чем на элементах электронного балласта. Поэтому было принято решение об установке резистора. FU1 – сетевой предохранитель. Он срабатывает только в случае неисправности элементов ИИП.

Для защиты от КЗ и перегрузок в нагрузке используется встроенный в ИМС компаратор ограничения тока с порогом 1 В, TTL совместимая схема выключения с порогом 1,4 В и схема плавного запуска, способная ограничивать максимальную длительность выходного импульса. Внутренняя логика микросхемы предотвращает одновременное включение выходных драйверов и обеспечивает запрет появления нескольких импульсов на одном из выходов.

Из элементов C1, C2, C3, C4, C5, C10, DA1, R2, R3, R4, R5, R7 состоит задающий генератор, выполненный на ШИМ-контроллере. ЗГ обеспечивает защитную паузу на нулевом уровне, предотвращая протекание сквозного тока через ключевые транзисторы. Через резистор R2 заземлён инвертирующий вход операционного усилителя, входящего в состав контроллера. Подстроечный резистор R3 и конденсатор C3 определяют частоту преобразования. Конденсатор C10 запасает энергию для пиков токов выходных драйверов ИМС.

Элементы C6, C7, C8 ,L1 составляют сетевой фильтр. Он предотвращает попадание в питающую сеть колебаний, генерируемых преобразователем.  C9 ,C11, VD1 – сетевой выпрямитель. Ёмкость конденсатора С11, шунтирующая на высокой частоте конденсатор C9, ограничивает пульсации на безопасном для конденсатора С9 уровне. Дроссель L2  датчик тока, протекающего через первичную обмотку гальванически развязывающего трансформатора. Элементы C12, R6, R8, R9, L2, VD2 образуют цепь, преобразующую при перегрузке импульс тока в сигнал управления ограничения (или прекращения) подачи управляющих импульсов на затворы ключевых транзисторов. От величины ёмкости конденсатора С12 зависит ток срабатывания системы защиты.

Элементы C13, C14, R10, VD3  цепь первоначального запуска микросхемы, обеспечивающая энергией ИМС на этапе переходного процесса для переключения полевых транзисторов. Такой запуск возможен благодаря малому (не более двух миллиампер) току потребления ИМС до момента её включения. Запускающий конденсатор C13 заряжается током от балластного резистора R10. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога включения, ИМС станет активной и переключит ключевые транзисторы. Дополнительный ток, необходимый для работы в установившемся режиме, ИМС получает от вспомогательного выпрямителя, питающегося от обмотки II гальванически развязывающего силового трансформатора T1. Важно отметить, что конденсатор С13 должен зарядиться до напряжения включения ИМС и выдать импульс тока, необходимый для запуска. Если напряжение на конденсаторе не поднимается выше 9 В, то следует уменьшить сопротивление резистора R10. Если при напряжении на конденсаторе 10 … 15 В ИМС не вырабатывает импульсы и транзисторы не переключаются, то следует увеличить ёмкость С13, например до 1000 … 2200 мкФ. Чем больше ёмкость С13, тем дольше время готовности источника, а чем ниже сопротивление R10, тем меньше КПД ИИП.

Элементы C15, C16, DA2, VD4, VD9-VD12 – вспомогательный выпрямитель с ёмкостным фильтром и стабилизатором напряжения, обеспечивающий питание ИМС ШИМ-контроллера в рабочем режиме ИИП.

Элементы R11-R14, VD5, VD6, VT1, VT2 образуют мощные высоковольтные электронные ключи. При включении ИИП в сеть до момента активизации ИМС к переходам сток-исток транзисторов прикладывается выпрямленное сетевое напряжение. Образуется делитель напряжения между переходами затвор-сток и затвор-исток. Ввиду большого входного сопротивления полевых транзисторов к затворам может быть приложено недопустимо высокое напряжение (вплоть до потенциала стока) и транзисторы выйдут из строя. Чтобы избежать данной ситуации, между затворами и истоками транзисторов включены резисторы R13 и R14. Диоды VD7 и VD8 – демпфирующие диоды. Амплитуда всплесков напряжения на транзисторах зависит от индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора и скорости изменения тока стоков ключевых транзисторов. Для её уменьшения параллельно переходам сток-исток транзисторов включены демпфирующие диоды. В указанных на схеме рис. 4.3 транзисторах уже имеются встроенные демпферы. Однако применение внешних демпфирующих цепей уменьшает тепловыделение в транзисторах. Трансформатор T1 - гальванически развязывающий вход и выход ИИП трансформатор.

1.1.2 Выходной выпрямитель и стабилизатор

Напряжение основного выпрямителя, подключенного к обмотке II сетевого трансформатора Т1 и собранного на диодном мосте VD2 с фильтрующим конденсатором С1, поступает на выход устройства через регулирующие транзисторы VT2, VT3. Также выходное напряжение поступает на плату контроллера и сравнивается там с образцовым. Сигнал рассогласования поступает на базу транзистора VT1, с коллектором которого соединены базы регулирующих транзисторов. Так замыкается обратная связь, обеспечивающая стабилизацию выходного напряжения.

Диоды VD14—VD15 прижаты к верхней части корпусов транзисторов VT2 и VT3 металлическими лепестками, зажатыми под головки винтов, крепящих транзисторы к теплоотводам. Диоды служат датчиками температуры транзисторов и соединены с платой контроллера через контакты вилки Х4.

Датчик тока нагрузки — шунт R6. Через контакты пропорциональное этому току напряжение также поступает на плату контроллера.

Из напряжения, выпрямленного диодным мостом VD11, с помощью интегрального стабилизатора DA5 получено напряжение +25 В, питающее ОУ на плате контроллера. Его точное значение устанавливают подборкой резистора R17. Еще два выпрямителя (на диодных мостах VD3 и VD4) с интегральными стабилизаторами DA3 и DA4 дают напряжения соответственно -5 В (для питания ОУ) и +5 В (для питания цифровых микросхем и индикаторов). Несимметричное относительно общего провода (+25 и -5 В) питание ОУ связано с тем, что напряжения менее -2,56 В на их входах и выходах в данном устройстве быть не может, поэтому большое (по абсолютному значению) отрицательное напряжение питания и не требуется.

Вентилятор М1, обдувающий теплоотводы транзисторов VT2 VT3 и реле К1, замыкающее выходную цепь ИП, работают по командам, поступающим с платы контроллера.

В устройстве имеются две отдельные цепи общего провода, "цифровая". Чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения, они соединены только в одном месте — на минусовом выводе конденсатора С1.

1.1.3 Блок управления

Микроконтроллер DD1 здесь включен по типовой схеме с регистром адреса DD2 и внешней памятью программ — ППЗУ DS1. Для автоматического восстановления нормального функционирования ИП после случайного сбоя в работе микроконтроллера предназначена микросхема DA1, содержащая сторожевой таймер и узел контроля напряжения питания. Она подает микроконтроллеру сигнал установки в исходное состояние, если в результате сбоя на ее выв. 7 некоторое время не поступают импульсы, формируемые микроконтроллером на своем выв. 5 при правильной работе программы. Сигнал установки в начальное состояние будет подан микроконтроллеру и при снижении напряжения в цепи +5 В ниже допустимого.

К выводам портов микроконтроллера подключена плата индикации. Выводы 7 и 15 микроконтроллера через усилители на транзисторах VT1 и VT2, VT3 соединены с находящимися в силовом блоке реле и вентилятором.

Микроконтроллер управляет также двумя ЦАП на специализированных микросхемах DA5 и DA6, соединенных по типовой схеме с ОУ DA7.1 и DA8. Образцовое напряжение для них формируют параметрические стабилизаторы (рис.8) на микросхемах DA2 (положительное) и DA3 (отрицательное). Подстроечным резистором R2 напряжение стабилизатора на микросхеме DA3 устанавливают равным -2,56 В. Подстроечными резисторами R16 и R17 добиваются нулевого напряжения на выходах ЦАП при нулевых кодах, загруженных в них микроконтроллером. Выходное напряжение источника питания через делитель на резисторах R23, R26, R29 поступает на вход ОУ ОА7.2, который сравнивает его с напряжением первого ЦАП (на микросхемах DA5 и DA7.1). Усиленный сигнал рассогласования подан на затвор полевого транзистора VT4, а с его стока — в силовой блок. Точного равенства выходного напряжения ИП заданному добиваются регулировкой подстроечного резистора R26. Элементы R27 и С26—С28 обеспечивают динамическую устойчивость стабилизатора.

Второй ЦАП (на микросхемах DA6 и DA8) - составная часть реализованного программно АЦП с четырьмя аналоговыми входами, переключаемыми коммутатором DD2 по командам микроконтроллера. Напряжение с выхода коммутатора компаратор DA9 сравнивает со сформированным ЦАП, результат сравнения поступает в микроконтроллер по цепи ADC.

На вход Y0 коммутатора подано с выхода дифференциального усилителя на ОУ DA4.1 напряжение, пропорциональное выходному напряжению ИП. На вход Y1 с выхода дифференциального усилителя на ОУ DA4.2 — пропорциональное току нагрузки устройства. На вход Y3 подано напряжение, пропорциональное обратному току диодов VD5—VD8, зависящему от температуры корпусов регулирующих транзисторов.

1.1.4 Блок индикации

В блоке индикации расположен восьмисегментный четырехразрядный светодиодный цифровой индикатор. Кроме цифр на этот индикатор выводят и стилизованные (составленные из семи стандартных элементов) буквы при превышении температуры выходных транзисторов или превышении тока, потребляемого нагрузкой, одновременно с этим включается светодиод.

Сдвиговый регистр DD1 преобразует поступающий от микроконтроллера последовательный код в параллельный, подаваемый через токоограничитель-ные резисторы R1—R8 на катоды свето-диодов. Дешифратор DD2 с помощью транзисторов VT1, VT2, VT4 и VT5 коммутирует общие аноды разрядов индикатора. Для предотвращения паразитной подсветки светодиодов на время загрузки кода в регистр DD1 цепь их питания разрывает транзистор VT3.

Сигналы с выходов дешифратора DD2 служат и для опроса установленных на плате индикаторов и выведенную на переднюю панель устройства клавиатуру.

1.2. Расчет надежности РЭС по внезапным отказам

Для расчета надежности рассматриваемого РЭС примем схему надежности, состоящую из последовательно соединенных невосстанавливаемых элементов, и математическую модель надежности, имеющую экспоненциальное распределение. При её составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном.

Используемые в расчетах параметры:

ni – число i-ых элементов РЭС

λi – интенсивность отказа i-ого элемента РЭС, 1/ч

αi – коэффициент, учитывающий влияние внешних воздействий на i-ый элемент РЭС

αт – коэффициент, учитывающий влияние тепла на i-ый элемент РЭС

αв – коэффициент, учитывающий влияние влажности на i-ый элемент РЭС

αм – коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий на i-ый элемент РЭС

Λ – интенсивность отказа изделия, 1/ч

t – время работы изделия, ч

P(t) – вероятность безотказной работы РЭС [2].

В соответствии с международным стандартом значение P(t)=0,91.

Определим предварительные значения параметров безотказной работы элементов, входящих в РЭС, предварительно положив = 1 год, = 1 . Рассчитаем значение P(t) аналитическим методом.

Результаты представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Значения интенсивностей отказов и поправочных коэффициентов

Тип элемента

ni

λi∙10-6, 1/ч

 

αi

 

ni∙λi∙αi

αт

αв

αм

Конденсаторы

44

10

1,2

1,2

1

633,6

Конденсаторы электролитические

17

100

1,2

1,2

1

2448

Микросхемы

14

1

1,4

1

1

19,6

Микросборка

1

1

1,2

1,3

1

1,56

Резисторы подстроечные

6

10

1,3

1,2

1

93,6

Диоды

25

1

1,4

1

1

35

Транзисторы

14

1

1,4

1

1

19,6

Разъемы

2

1

1

1

1

2

Катушки

2

100

1,4

1,3

1

364

Паяные соединения

645

0,01

1,2

1

1

7,74

Трансформаторы

1

100

1,4

1,3

1

182

Светодиоды

2

1

1,4

1

1

2,8

Резисторы

66

10

1,3

1,3

1

1115,4

4927,3 · ,

.

Получим P(t)=0,4<0,91.

Для выбранной стационарной аппаратуры вероятность безотказной работы должна составлять не менее 0,91. Рассчитанная вероятность составляет 0,4005, что не удовлетворяет норме.

Для того чтобы данное изделие соответствовало международным стандартам, необходимо повысить его надёжность. Достичь этого можно за счет повышения стоимости всего изделия, т.е. используя более надежные элементы. Произведем пересчет. Заменим электролитические конденсаторы на танталовые К52 и возьмём резисторы марки С2-23.

Результаты представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Расчет надежности после замены элементов на более надежные и сокращения гарантийного срока

Тип элемента

ni

λi∙10-6, 1/ч

αi

ni∙λi∙αi

αт

αв

αм

Конденсаторы

44

5

1,1

1,1

1

220,2

Конденсаторы танталовые К52

17

10

1,1

1,1

1

183,7

Микросхемы

14

1

1,4

1

1

19,6

Микросборка

1

1

1,2

1,3

1

1,56

Резисторы подстроечные

6

10

1,2

1,2

1

76,4

Диоды

25

1

1,4

1

1

35

Транзисторы

14

1

1,4

1

1

19,6

Разъемы

2

1

1

1

1

2

Катушки

2

10

1,4

1,3

1

36,4

Паяные соединения

645

0,01

1,2

1

1

7,74

Трансформаторы

1

20

1,4

1,3

1

36,4

Светодиоды

2

1

1,4

1

1

2,8

Резисторы С2-23

66

5

1,2

1,2

1

396,2

673,84 · ,

При работе устройства в течение полугода по 30 мин в сутки, вероятность безотказной работы равна:

.

а среднее время наработки на отказ:  

Получим P(t)=0,91.

Путем замены некоторых элементов РЭС на более надежные  мы добились необходимого значения вероятности безотказной работы РЭС.

2. Техническое задание №2 на курсовую работу

«Расчет допусков на основные параметры четырехполюсника»

В данной работе необходимо произвести расчет допусков на входное и выходное сопротивление и на коэффициент передачи четырехполюсника, схема которого представлена на рис.1.

Рисунок 1 – Электрическая схема четырёхполюсника.

2.1 Определение основных параметров четырехполюсника

Параметры электрической цепи:

1. R1= 0,5 Ом, R2 = 1,5 Ом, R3 = 2,2 Ом, R4 = 3 Ом.

2. С1= 700 пФ, С2= 900 пФ, C3 = 1100 пФ, C4 = 1300 пФ.

3. L1 = 300 мкГн, L2 = 500 мкГн, L3 =700 мкГн, L4= 900 мкГн.

4. δR = 2,2%; δL =7,2%; δC = 8,6%.

Определим общее сопротивление каждой ветви данного четырёхполюсника:

Z1 = R1 + jωL1 + 1/(jωC1) ;

Z2 = R2 + jωL2 + 1/(jωC2) ;

Z3 = R3 + jωL3 + 1/(jωC3) ;

Z4 = R4 + jωL4 + 1/(jωC4) .

Схема четырехполюсника в режиме холостого хода имеет вид:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема сопротивления холостого хода.

- входное сопротивление  ;

- выходное сопротивление  ;

- коэффициент передачи  .

2.2. Расчет допусков на входное и выходное сопротивление и коэффициент передачи четырехполюсника

Так как требуется определить функциональную зависимость допусков от частоты, то воспользуемся расчетно-аналитическим методом оценки точности.

Пусть известна функциональная связь между каким-либо параметром устройства Y и параметра qi (i=1,2,…,n), входящих в это устройство элементов. В самом общем виде она может быть записана:

Y = f(q1,q2,…,qn) .

Очевидно, что всякие отклонения qi приведут к отклонению функции Y. Чтобы установить между ними аналитическую связь в явном виде, воспользуемся правилами дифференциального исчисления. Тогда полный дифференциал dY от аргумента qi запишется:

.

Переходя от дифференциалов к конечным приращениям, т.е. полагая, что , получим выражение абсолютной погрешности устройства Y в следующем виде:

.

Из этого следует, что допуски на входное и выходное сопротивление четырехполюсника, а также его коэффициент передачи можно подсчитать, используя приведенные формулы:  

;

;

.

В данных формулах используются частные производные и абсолютные погрешности ∆Zi , которые вычисляются следующим образом:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Абсолютная погрешность сопротивления Zi равна:

.

После подстановки вычисленных производных погрешность сопротивления примет вид:  

.

Выполним расчет резонансных частот четырехполюсника, пользуясь выражением:

.

Значения полученных частот составили:

ω1 = 3,473*105 рад/с;

ω2 = 2,373*105рад/с;

ω3 = 1,814*105 рад/с;

ω4 = 1,471*105рад/с.

Проведем числовой расчет характерных сопротивлений контура для одной из резонансных частот, например для ω = 2,284*105 рад/с:

Z1 = 0,5- 6186j = 6186e-1,571j Ом;

Z2 = 1,5 - 4751j = 4751e-1,57j Ом;

Z3 = 2,2 - 3820j = 3820e-1,57j Ом;

Z4 = 3 – 3162j = 3162e-1,569j Ом;

Zвх = 1,932 - 4417j = 4417e-1,57jОм;

Zвых = 1,394 - 364.45j = 364.49e-1,57jОм;

Кпер = 0.392+ 1,349*10-4j = 0,392e0,00034j Ом;

Z1 =  0,011- 542,837j = 542,837e-1,571j Ом;

Z2 = 0.033 - 426,592j = 426,592e-1,571j Ом;

Z3 = 0.048 - 353,814j = 353,814e-1,571j Ом;

Z4 = 0.066 - 304,441j = 304,441e-1,571j Ом.

δZвх= 0,086%;

δZвых= 0,087%;

δKпер= 0,003%.

Построим графики зависимостей величин допусков на входное и выходное сопротивления (рис. 3,4,5), а также коэффициент передачи четырехполюсника от частоты.

Рисунок 3 – Зависимость модуля допуска входного сопротивления от частоты.

Рисунок 4 – Зависимость модуля допуска выходного сопротивления от частоты.

Рисунок 5 – Зависимость модуля допуска коэффициента передачи от частоты:

Список использованных источников

Журнал Радиоаматор 2005 г. №11 [Текст]

Яншин, А. А. Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности ЭВА: Учебное пособие для вузов./ А. А. Яншин [Текст] – Радио и связь, 1983. – 312 с.

Козлов, Б. А., Ушаков И. А. Справочник по расчету надёжности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики./ Б. А. Козлов [Текст] – М.: Сов. Радио, 1975. – 472 с.

Кофанов, Ю. Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности радиоэлектронных средств: Учебник для вузов./ Ю. Н. Кофанов [Текст] – М.: Радио и связь, 1991. – 360 с.

Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / под ред. Р. Г. Варламова. [Текст] – М.: Сов. Радио, 1980. – 480 с.


i

i

C

L

1

=

w


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38259. Доходы, расходы и результаты деятельности 60 KB
  В течение отчётного периода на счетах классов 7 и 9 накапливаются соответственно доходы и расходы а в конце месяца эти счета закрываются путём списания их Сдо на сч. № 92 Административные расходы предназначен для учёта общехозяйственных расходов связанных с управлением и обслуживанием предпр. № 93 Расходы на сбыт используется для отражения расходов на содержание подразделений занимающихся сбытом ГП товаров учитываются расходы на рекламу доставку товаров покупателю.