3.2.8 Эстетические и экономические требования 22 3.2.9 Условия эксплуатации. 22 3.2.10 Требования к упаковке и маркировке 22 4 Разработка аппаратной части измерительной системы Р2- «Растр» 23 4.1 Выбор структуры измерительной системы Р2- «Растр» 23 4.2 Обоснование выбора технических средств 25 4.3 Разработка принципиальной схемы 28 5 Расчет надежности 32 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 35 Приложение А – Исходные данные для расчета надежности. 37 Приложение Б – Расчет надежности измерительной части Р2- «Растр». 39 СПЕЦИФИКАЦИЯ 40 В настоящее время на вооружении находится большое количество СВЧ радиоизмерительных приборов, разработанных и освоенных в производстве 8 – 10 лет назад. Среди них наиболее распространены измерители КСВ и ослабления (Р2-71). Для сравнения приведем в Таблица 1.1 некоторые основные технические характеристики приборов: (Р2-71) и разрабатываемого (по ТЗ). Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики приборов Основные размеры и конструктивное выполнение прибора должны соответствовать требованиям ОСТ 4.270.000-83 и ОСТ В 4.410.020-83, а также других действующих в отрасли НТД ПС в части базовых конструкций (при возможности их использования), шрифтов, символов и сокращений терминов. Основные размеры элементов присоединения прибора должны соответствовать требованиям ГОСТ 13317-89. Конструкция прибора должна обеспечивать удобный доступ к элементам и составным частям, требующим регулировки и смены их в процессе эксплуатации, а также возможность замены сменных элементов и составных частей. Конструкция составных частей прибора должна обеспечивать индивидуальную замену комплектующих элементов при ремонте. Материалы и полуфабрикаты, комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них. Выбор комплектующих изделий должен производиться из перечней, утвержденных Заказчиком и разрешенных для применения при разработке и модернизации аппаратуры народнохозяйственного назначения. Масса прибора не должна превышать 20 кг (уточняется на стадии технического проекта). Мощность, потребляемая прибором от сети питания, при номинальном напряжении не должна превышать 120 ВА (уточняется на стадии технического проекта). Конструкция прибора должна обеспечивать возможность автоматизации контрольных операций, а также автоматизацию сборочно-монтажных работ. Основные составные части прибора должны быть выполнены в виде функциональных узлов и блоков, в разъемном варианте конструктивного выполнения. В приборе должны использоваться изделия микроэлектроники частного применения, разработанные в процессе проведения настоящего ОКР. В конструкциях составных частей сменных печатных узлов, блоков должны быть предусмотрены приспособления, обеспечивающие их фиксацию в положении, удобном для осмотра, проверки и замены элементов при ремонте. Все составные части прибора, контрольные точки, разъемы, выводы на печатных платах должны быть ясно и четко промаркированы (с учетом ограничений раздела 12 ГОСТ 20.39.308-76) и должна быть обеспечена возможность визуального контроля маркировки. Требования к параметрам и характеристикам измерителей коэффициента передачи и отражения (приборы группы Р2-). Диапазон частот комплекта приборов должен быть от 0,01 до 37,5 ГГц. Весь диапазон должен перекрываться пятью приборами с предполагаемой разбивкой по поддиапазонам: (0,01-2,0) ГГц; (2,0-8,3) ГГц; (8,15-18,0) ГГц; (17,44-25,95) ГГц и (25,95-37,5) ГГц. Режимы работы приборов группы Р2-. а) измерение модуля коэффициентов передачи четырехполюсников; б) измерение КСВН четырехполюсников. Пределы измерения: а) КСВН – 1,05 – 5,0 1,03 – 5,0 для тракта 7/3 мм в диапазоне частот (0,01 – 8,3) ГГц; б) модуля коэффициента передачи (0–50) дБ в диапазоне частот (0,01–18) ГГц и (0-40) дБ в диапазоне частот (17,44-37,5) ГГц. Основная погрешность отсчета и установки частоты не более (Fуст(10-7. Приборы должны обеспечивать панорамный режим работы при длительности периода качания, обеспечивающей оператору нормальную работу при проведении регулировочных работ (параметры режима уточняются на этапе ТП). Параметры, входящие в состав приборов блоков генераторных должны обеспечивать параметры приборов в целом. Приборы должны содержать панорамный индикатор, размером не менее 140 х 160 мм. Пределы допускаемой основной погрешности измерений 1) КСВН ( 5 К% для 2 2) КСВН (( 5 К+1)% для 2 модуля коэффициента передачи ((0,3 ( 0,04 (Ах() дБ. Приборы должны иметь производственно – эксплуатационный запас не менее 20% по основной погрешности установки частоты. Приборы должны сохранять свои технические характеристики в пределах норм при питании их от сети переменного тока напряжением (220(22) В, частотой (50(1,0) Гц и содержанием гармоник не более 5%. Приборы должны допускать непрерывную работу в течение времени не менее 16 ч при сохранении электрических параметров и характеристик в пределах норм, заданных в ТТЗ. Время установления режима с момента включения должно быть для приборов всех поддиапазонов не более 30 мин во всем рабочем диапазоне температур (уточняется на стадии технического проекта). Уровень СВЧ излучений не должен быть более 10-3 Вт/м на расстоянии 1 м от прибора. Требования к техническому уровню Прибор должен иметь комплексные показатели технического уровня, сопоставимые с аналогичными показателями зарубежных аналогов того же класса и стоимости. Требования к надежности Средняя наработка на отказ (То) прибора должна быть не менее 10 000ч. Среднее время восстановления работоспособного состояния блоков (Тв) должно быть не более 1 ч. Гамма – процентный ресурс приборов (Т() должен быть не менее 10 000 ч при доверительной вероятности ((), равной 90 %. Гамма – процентный ресурс службы приборов (Тсл) должен быть не менее 15 лет при доверительной вероятности ((), равной 90 %. Гамма – процентный срок сохраняемости приборов (Тсх) должен быть не менее 12 лет для отапливаемых хранилищ и 6 лет для не отапливаемых хранилищ при доверительной вероятности ((), равной 90 %. Вероятность отсутствия скрытых отказов приборов комплекта (P(t)) за межпроверочный интервал (t), равный 24 мес. при среднем коэффициенте использования (Ки), равном 0,17 должна быть не менее 0,90. Количественные значения показателей надежности устанавливаются в соответствии с РД 4.4110.05-93 и, при необходимости, уточняют на стадии технического проекта, а оценку соответствия заданным требованиям проводят в соответствии с РД 4.4110.04-93 и РД 4.4110.02-93. В эксплуатационных документах должны быть указаны критерии придельного состояния приборов. Требования к технологичности конструкции Приборы по технологичности конструкции и использованию унификации и типового оборудования должны отвечать требованиям типовых технологических процессов и обеспечивать достижение заданных показателей надежности при минимальных затратах на их изготовление, техническое обслуживание и ремонт. Требования к уровню унификации и стандартизации Требования к уровню унификации и стандартизации должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76. Показатели уровня унификации и стандартизации должны быть порядка: коэффициент применяемости Кпр = 50 %, коэффициент повторяемости Кп = 50 %. Указанные коэффициенты уточняются расчетным путем на стадиях технического проекта и разработки рабочей документации опытного образца в соответствии с ГОСТ В 15.207-79 и ОСТ В 4.090.041-82. Эстетические и экономические требования Требования по технической эстетики и экономике должны соответствовать ГОСТ В 20.39.308-76, ОСТ 4.270.000-83, а также требованиям СТП УШЯИ.000.053-89. Условия эксплуатации. По устойчивости к климатическим воздействиям приборы должны соответствовать требованиям группы 1.1 УХЛ по ГОСТ В 20.39.304-76 со значениями рабочих температур от плюс 5(С до плюс 40(С, по прочности механическим воздействиям – требования группы 1.6 по ГОСТ В 20.39.304-76. Требования к упаковке и маркировке Упаковка должны соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76. Вид упаковки и ее обозначения должны соответствовать требованиям ОСТ 4.070.011-78. Маркировка на таре должна соответствовать требованиям ГОСТ 14.192-77. Маркировка приборов должна соответствовать требованиям ГОСТ В 20.39.308-76 и НТД, согласованной с Заказчиком. Разработка аппаратной части измерительной системы Р2- «Растр» Выбор структуры измерительной системы Р2- «Растр» Для измерения коэффициента передачи и отражения необходимо, как это видно из упрощенной структурной схемы, рисунок 1.2 анализировать три сигнала: исходный, прошедший через объект и отраженный. Для анализа СВЧ сигнала используют СВЧ детекторную головку. Главным достоинством детекторной головки, по отношению к другим СВЧ измерителям АЧХ можно считать малую зависимость выходного напряжения детекторной головки от частоты входного напряжения во всем диапазоне рабочих частот. Главным недостатком детекторной головки является нелинейность амплитудной характеристики. Однако с достаточной для практики точностью всю амплитудную характеристику можно разбить на два участка: линейный, до какого-то порового значения входной мощности и нелинейный (квадратичный) остальная часть характеристики. Анализ любого из трех сигналов исходного, прошедшего и отраженного абсолютно идентичен. Поэтому в измерительной части Р2- «Растр» целесообразно применить три однотипные схемы измерения уровня детектированного сигнала, которые на структурной схеме измерительной части Р2- «Растр» (рисунок 4.1) показаны как «детекторная головка 1», «детекторная головка 2» и «измерительный мост». Среди наиболее крупных производителей МК 51-ой серии, а именно эта серия функционально наиболее подходит для реализации вышеперечисленных функций, так как МК этой серии представляют собой полностью самостоятельные и функционально законченные МК, можно выделить таких производителей как Intel, Siemens, Atmel и некоторых других. МК выпускаемые фирмой Intel серии 80C251SB(SQ), 83C251SA(SB,SP,SQ), 87C251SA(SB,SP,SQ) представляют собой довольно мощные МК с огромными возможностями расширения внешней памяти (до 1 Мбайта), с четырьмя 8 битными портами ввода-вывода и так далее, но они имеют и существенные недостатки: ни в одном из перечисленных МК нет одновременно ПЗУ и ППЗУ (а это, как отмечалось выше, необходимо); частота работы этих МК 16 МГц, недостаточна для решения поставленной выше задачи. Фирма Atmel выпускает МК AT89 8XC51 серии среди которых можно выделить МК AT89S8252-24QC, наиболее удовлетворяющий всем предъявляемым требованиям. Некоторые технические характеристики этого МК приведены ниже: рабочая частота 24 МГц; МК AT89S8252-24QC имеет планарный корпус размером не более 1,5(1,5 см; 8 Кб перепрограммируемой по последовательному каналу Flash памяти программ (1000 циклов записи); высокоскоростной последовательный интерфейс (SPI); 2 Кб электрически стираемой/записываемой памяти данных EEPROM (100 000 циклов записи); 256 байт внутренней ОЗУ; 4 восьми битных независимых параллельных порта или 32 программируемые линии ввода/вывода; три 16-битных таймера/счетчика; программируемый последовательный канал (UART); поддержка режимов энергосбережения. Структурная схема МК AT89S8252-24QC представлена на рисунке 4.2. Вторым по значимости элементом схемы можно считать АЦП, в качестве которого выбран 12 битный АЦП AD7893-AR2 фирмы Analog Devices. Главным достоинством которого можно считать высокую скорость преобразования (порядка 6 мкс) и поддержку последовательного интерфейса. Детекторная головка выбрана фирмы Hewlett Packard. HSCH-5336 серии HSCH-5300 – диоды Шоттки для детекторов с рабочей частотой детектирования (1 – 26) ГГц. Разработка принципиальной схемы Принципиальная схема аппаратной части системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств (измерительная часть) представлена в графической части (черт. КАПП 000 000 001 ГЧ). Конструктивно вся принципиальная электрическая схема и, соответственно, печатная плата разделяются на две части: собственно детекторная головка, которая будет располагаться непосредственно на СВЧ щупе и схема измерительной части. Входной СВЧ сигнал поступает в измерительную часть через согласованную нагрузку R1=50 Ом и проходной конденсатор С3=10 нФ. Затем детектируется диодами Шоттки HSCH-5336 (V1), предусматривающие сопротивление нагрузки R3=100 кОм. Делитель R4, R2 обеспечивает постоянное смешение напряжения измеряемого сигнала Uсм(200 мкВ для повышения точности измерения малых сигналов. Конденсатор С10 выделяет постоянную составляющую измеряемого сигнала и полученный сигнал поступает на усилитель мощности (D3, D4, D9, D10) с управляемым коэффициентом усиления. Схема установки необходимого коэффициента усиления входного сигнала состоит из двух операционных усилителей OP177GS (на схеме D3 и D10) и двух демультиплексоров MC14052BD (D4 и D9). В зависимости от поступающего из МК (D8) кода демультиплексорами коммутируется соответствующее сопротивление в обратной связи ОУ, что позволяет устанавливать коэффициенты приведенные в Таблица 4.1. Таблица 4.1 - Таблица кодов управления усилителем мощности. Расчет надежности С целью обеспечения заданных в техническом задании показателей надежности измерителя коэффициента передачи и отражения Р2- «Растр» составлена программа обеспечения надежности (ПОН), которая выполнена. В соответствии с ПОН был проведен расчет количественных показателей надежности. Расчет выполнен в соответствии с РД4.4110.04-93, и представлен в приложении Б. Все необходимые надежностные показатели, сведенные в общую таблицу, представленную в приложении А, выбирались из расчета рабочей температуры внутри прибора tраб = 50 (С и соответствия группе 1.1 УХЛ по климатическим воздействиям. Результаты расчета приведены в Таблица 5.1. Таблица 5.1 - Результаты расчета надежности.