Файл: Курсовой проект по дисциплине Основы конструирования электронных средств.pdf

Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования Московской области
Государственный «Университет «Дубна»
Институт системного анализа и управления
Курсовой проект
Дисциплина: Основы конструирования электронных средств
ФИО студента: Смирнов Александр Евгеньевич
Группа: 4142
Кафедра: Персональная электроника
Направление: 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств
Профильная направленность:
Проектирование и технология
радиоэлектронных средств
Тема: Цифровой частотомер
.
Руководитель: д.т.н., профессор Сахаров Юрий Серафимович
Оценка: __________________________
Дата: ____________________________
Дубна, 2017

ГОСУДАРСТВЕННОНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
«Государственный университет природы, общества и человека «Дубна»
ИНСТИТУТ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ
Кафедра «Персональная электроника»
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой профессор, д.т.н ___________ (Сахаров Ю.С.)
«_____» _______________2017г.
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект
по дисциплине «Основы конструирования электронных средств»
студенту 4 курса факультета ИСАУ учебной группы 4142
Смирнову Александру Евгеньевичу
ТЕМА
«Цифровой частотомер»
Обсуждено на заседании кафедры
(предметно-методической секции)
«_____» _______________2017г.
Протокол №________
2

СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель проектирования:
- Получение навыков и знаний в процессе технико-экономического обоснования и проектирования радиоэлектронного устройства.
2. Основные этапы разработки:
- Разработка технического задания на проектирование;
- Технико-экономическое обоснование проекта;
- Проектирование выбранного прототипа;
- Модернизация выбранного устройства;
- Анализ модернизированной конструкции прототипа РЭС;
- Разработка комплекта конструкторской документации на изделие.
3. Исходные данные:
- Заявка на разработку;
- Техническое задание;
- Сведения об аналоге.
4. Перечень разрабатываемых материалов:
- Анализ заявки;
- Формулировка технического задания;
- Поиск аналогов;
- Анализ найденных аналогов;
- Выбор нехудшего аналога в качестве прототипа;
- Анализ работы и доработка конструкции прототипа;
- Расчеты устойчивости конструкций к различным воздействиям согласно ТЗ;
- Разработка комплекта КД.
5. Перечень необходимых экспериментальных работ и расчетов ЭВМ:
- Поиск аналогов в радиоэлектронных журналах; по средствам сети Интернет,
а также из других источников;
- Расчет устойчивости конструкции к различным воздействиям согласно ТЗ.
6. Общий объем и требования к оформлению отчетных материалов:
- Содержание проекта должно составлять около 30 листов формата А4;
- Работа должна быть оформлена в соответствии с действующим СТП
МГУПИ и ЕСКД;
7. Перечень литературы (руководств, пособий и т.п.):
- Учебное пособие по курсу ОКЭС;
- Электронная версия учебно-методического комплекса ОКЭС;
- Ресурс Интернет.
8. Сроки представления руководителю выполненной работы и ее готовности к
защите:
- Сдача выполненной работы осуществляется в течении последнего месяц семестра.
Задание получил:
Руководитель:
Студент уч. группы 4142
Профессор, д. т. н.
Смирнов Александр Евгеньевич
Сахаров Юрий Серафимович
__________________________
__________________________
(подпись)
(подпись)
3

ВВЕДЕНИЕ
Цифровой частотомер предназначен для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала. Принцип действия цифрового частотомера заключается в подсчете числа периодов неизвестной частоты за образцовый интервал времени.
РГР-2068757-20.08-ПР7-16-00
Изм.
Лист
№ докум
Подп.
Дата
Разраб.
Смирнов А .Е.
Лит.
Лист
Листов
Руковод.
Сахаров Ю.С.
Ур
4
Консульт.
Н. контр.
Зав. каф
Сахаров Ю.С.
4

«____»__________________2017 г. «____»__________________2017 г.
Оглавление
СОДЕРЖАНИЕ.......................................................................................................................................................3 1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.................................................................................................6 1.1. АНАЛИЗ ЗАЯВКИ.....................................................................................................................................6 1.1.1. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ............................................................................................6 1.1.2. ФАКТОРЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА..........................................................................................6 1.1.3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ...............................................................................................................7 1.2. СБОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ...........................................7 1.2.1. ДОПОЛНЕНИЯ К СИСТЕМНЫМ ФАКТОРАМ...........................................................................7 1.2.2. ДОПОЛНЕНИЯ К ФАКТОРАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ........................................................7 1.2.3. ДОПОЛНЕНИЯ К ФАКТОРАМ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА.......................................................8 1.3. ОКОНЧАТЕЛЬНО СФОРМУЛИРОВАННОЕ ТЗ...................................................................................8 2. ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ....................................................................................10 2.1. ПОИСК И ОПИСАНИЕ АНАЛОГОВ....................................................................................................10 2.1.1. АНАЛОГ №1....................................................................................................................................10 2.1.2. АНАЛОГ №2....................................................................................................................................11 2.1.3. АНАЛОГ №3....................................................................................................................................12 2.1.4. АНАЛОГ №4....................................................................................................................................13 2.2. СРАВНЕНИЕ АНАЛОГОВ И ВЫБОР ПРОТОТИПА.........................................................................14 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА............................................................................................................16 3.1. ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.........................................................................................................16 3.2. АНАЛИЗ И УТОЧНЕНИЕ ВАРИАНТА................................................................................................17 3.3. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ....................................................................................................18 3.4. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА.........................................................................................................21 3.5. РАСЧЁТ СИСТЕМЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.........................................................24
ИТОГИ РАБОТЫ..................................................................................................................................................25
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................................26
ПРИЛОЖЕНИЕ №1..............................................................................................................................................27
ПРИЛОЖЕНИЕ №2..............................................................................................................................................28
ПРИЛОЖЕНИЕ №3..............................................................................................................................................29
ПРИЛОЖЕНИЕ №4..............................................................................................................................................30 5

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
1.1. АНАЛИЗ ЗАЯВКИ
1.1.1. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Механические воздействия:
1. Вибрационные воздействия (механические колебания ее элементов или конструкции в целом). Для данного устройства вышеуказанное воздействие имеет место при его транспортировки в автотранспорте. Может быть периодической (гармоническая и полигармоническая) и случайной.
Характеризуется: частотой вибрационного колебания, амплитудой перемещения, амплитудой виброускорения – не указано;
2. Ударное воздействие (кратковременное (длительностью менее 0,1 с) и непериодическое силовое воздействие на элементы конструкции со стороны объекта – носителя). Так же, как и вибрационное воздействие, возможно в случае транспортировки устройства, а так же при неаккуратном использовании.
Характеризуется: длительностью импульса и ускорением, интенсивность зависит от формы (зависимость ударного ускорения от времени), амплитуда и длительности ударного импульса – не указано;
3. Линейное и центробежное ускорение (линейное ускорение характеризуется величиной ускорения и возникает при изменении скорости движения;
центробежное возникает при изменении направления движения.). – не указано;
4. Шумы и акустические удары. Возможны при наличии рядом иных радиоэлектронных устройств Характеризуется уровнем шума в дБ – не указано.
Климатические воздействия:
1. Изменение температуры, тепловые удары (характеризуется T
min
, T
max
, для тепловых ударов – длительностью и величиной перепада(∆T)) – указано, T
min
=
+10° С, T
max
= +35° С;
2. Влажность – указано, относительная влажность эксплуатации прибора: 0 —
60%;
3. Атмосферное давление – 101 кПа.
1.1.2. ФАКТОРЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
1. Физические и антропологические данные оператора – не указано;
2. Квалификация оператора – не указано;
6

3. Наличие защитных приспособлений – не указано.
1.1.3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ
1. Класс объекта установки – указано, носимая РЭА;
2. Конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные размеры и др.) – указано, габариты устройства 110 мм в длину, 70 мм в ширину,
– мм в высоту (без учета блока питания устройства, корпуса);
3. Масса – указано 100г (без учета блока питания устройства и корпуса);
4. Надежность (долговечность, безотказность,
сохраняемость и
ремонтопригодность) – не указано;
5. Виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое исполнение) – не указано.
Можно утверждать, что большинство вышеуказанных факторов в заявке отсутствуют. Следовательно, необходимо их определить.
1.2. СБОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Сбор дополнительной информации будет производиться частично исходя из
Государственного Стандарта ГОСТ 16019-2001, так как данный стандарт распространяется на аппаратуру бытового назначения.
1.2.1. ДОПОЛНЕНИЯ К СИСТЕМНЫМ ФАКТОРАМ.
1. Вид обслуживания – постоянное обслуживание.
2. Согласно ГОСТ 16019-2001, данное устройство относится к категории С1
(Стационарная, устанавливаемая в отапливаемых наземных и подземных сооружениях). Исходя из этого, будут определяться дополнения к факторам воздействия окружающей среды.
1.2.2. ДОПОЛНЕНИЯ К ФАКТОРАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
1. Механические удары.
1.1. Пиковое ударное ускорение — 98 м/с2 (10g).
1.2. Длительность удара — 10 мс.
1.3. Число ударов в каждом направлении 1000.
2. Атмосферное давление 101 кПа.
7

3. Климатическое исполнение – У (умеренный климат с диапазоном температур
-45℃ +45℃).
1.2.3. ДОПОЛНЕНИЯ К ФАКТОРАМ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
Для работы с данным устройством отсутствует необходимость в квалификации оператора, а так же использование каких-либо вспомогательных или защитных приспособлений.
1.3. ОКОНЧАТЕЛЬНО СФОРМУЛИРОВАННОЕ ТЗ
1. Потребительское назначение – цифровой частотомер;
2. Состав изделия – моноблок;
3. Климатическое исполнение – У (умеренный климат);
4. Воздействие механических и климатических факторов – группа характеристик и их значений (ГОСТ 16019-2001) для аппаратуры группы H6 (Носимая,
размещаемая при эксплуатации в одежде или под одеждой, или в отапливаемых наземных и подземных сооружениях):
4.1. Механические удары
4.1.1. При эксплуатации:
4.1.1.1. Пиковое ударное ускорение: 98м/с2;
4.1.1.2. Длительность удара: 10мс;
4.1.1.3. Частота ударов: 40 — 80 мин
-1
;
4.1.1.4. Вибрации: диапазон частот 10 — 70 Гц, виброускорение до
37 м/с
2
;
4.1.2. При транспортировании:
4.1.2.1. Пиковое ударное ускорение: 98м/с
2
;
4.1.2.2. Длительность удара: 6мс;
4.1.2.3. Число ударов в каждом направлении: 4000;
4.2. Пониженная температура для исполнения по степени жесткости
4.2.1. При эксплуатации:
4.2.1.1. Рабочая температура: +5℃;
4.2.1.2. Предельная температура: -40℃
4.2.1.3. Время выдержки при каждой температуре: 2ч;
4.2.2. При транспортировании:
4.2.2.1. Рабочая температура: -10℃;
8

4.2.2.2. Предельная температура: -55℃;
4.2.2.3. Время выдержки при каждой температуре: 2ч;
4.3. Повышенная температура:
4.3.1. Рабочая температура: +40℃;
4.3.2. Предельная температура: +55℃;
4.3.3. Время выдержки при каждой температуре: 2ч;
4.4. Пониженное атмосферное давление: 61кПа (в течение 60 минут)
5. Условия эксплуатации
5.1. Диапазон рабочих температур: 0 ÷ +50℃;
5.2. Атмосферное давление: 101кПа;
5.3. Относительная влажность: 93% при Т = 25
o
С;
6. Габариты ≤ 70х48х30 мм;
7. Масса≤ 200г;
8. Стоимость ≤ 400р.
9

2. ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
2.1. ПОИСК И ОПИСАНИЕ АНАЛОГОВ
Был совершен поиск аналогов изделия. Поиск проводился в Интернете. По результатам поиска получена информация о четырёх аналогах.
2.1.1. АНАЛОГ №1
Аналог №1 – самодельный частотомер.
Этот частотомер может работать и как самостоятельное устройство, так и всоставе генератора ЗЧ в качестве его цифровой шкалы. Частотомер предназначен для измерения частоты в пределах до 100 кГц. (0-99999 Гц).
Рис. 2.1.1.1. Принципиальная электрическая схема аналога №1.
Табл. 2.1.1.1. Характеристики аналога №1.
Стоимос ть
Дискретност ь
Габариты
Диапазон измерений
Интервал измерения частоты
Интервал обновления показаний
Масса
-
-
-
0 ...
100 кГц
1 с
3 с
-
10

2.1.2. АНАЛОГ №2
Аналог №2 – цифровой частотомер без переключателя диапазонов.
Рис. 2.1.2.1.
Принципиальная электрическая схема аналога №2.
Табл. 2.1.2.1. Характеристики аналога №2.
Стоимос ть
Дискретност ь
Габариты
Диапазон измерений
Интервал измерения частоты
Интервал обновления показаний
Масса
-
-
-
0 ... 1 МГц
1 с
1 с
-
11

2.1.3. АНАЛОГ №3
Аналог №3 – простой самодельный цифровой частотомер.
Устройство измеряет частоту до 9999 kHz (до 9,999 MHz) с дискретностью в 1
kHz. Частотомер выполнен на трех микросхемах. Счетчик-дешифратор на микросхеме
ММ74С926, генератор измерительных импульсов на ИМС CD4060B и RS-триггер и входной ключ на 74LS28.
Рис. 2.1.3.1. Принципиальная электрическая схема аналога №3.
Табл. 2.1.3.1. Характеристики аналога №3.
Стоимос ть
Дискретност ь
Габариты
Диапазон измерений
Интервал измерений
Интервал обновления показаний
Масса
-
1 кГц
-
0 ...
10 МГц
0,001 с
0,25 с
-
12

2.1.4. АНАЛОГ №4
Аналог №4 — карманный цифровой частотомер.
Рис. 2.1.4.1. Принципиальная электрическая схема аналога №4.
Табл. 2.1.4.1. Характеристики аналога №4.
Стоимос ть
Дискретность Габариты Диапазон измерени й
Интервал измерения
Интервал обновления показаний
Масса
-
100 Гц, 10 Гц,
1 Гц и 0,1 Гц при пределах измерения
9999,9 кГц,
999,99 кГц,
99,999 кГц и
9,9999 кГц соответственн о
110x65x11 0 ...
10 МГц
10 мс, 100 мс,
1 с и 10 с при пределах измерения
9999,9 кГц,
999,99 кГц,
99,999 кГц и
9,9999 кГц соответственн о
Повторное измерение производитс я вручную с интервалом не менее интервала измерения
-
13

2.2. СРАВНЕНИЕ АНАЛОГОВ И ВЫБОР ПРОТОТИПА
Для найденных аналогов была составлена сравнительная таблица их характеристик.
Табл. 2.2.1. Сравнительная таблица характеристик аналогов.
Аналог №1
Аналог №2
Аналог №3
Аналог №4
Стоимость
-
-
-
-
Дискретность
-
-
1 кГц
100 Гц, 10 Гц, 1 Гц и 0,1 Гц при пределах измерения 9999,9
кГц, 999,99 кГц,
99,999 кГц и
9,9999 кГц соответственно
Габариты
-
-
-
110x65x11
Диапазон измерений
0 ... 100 кГц
0 ... 1 МГц
0 ... 10 МГц
0 ... 10 МГц
Интервал измерения частоты
1 с
1 с
0,001 с
10 мс, 100 мс, 1 с и
10 с при пределах измерения 9999,9
кГц, 999,99 кГц,
99,999 кГц и 9,9999
кГц соответственно
Интервал обновления показаний
3 с
1 с
0,25 с
Повторное измерение производится вручную (при нажатии кнопки) с интервалом не менее интервала измерения
Масса
-
-
-
-
Из табл. 2.2.1 были исключены характеристики, показатели которых не представлены для большинства аналогов. В результате была получена следующая таблица (табл. 2.2.2).
14