2. Техническое задание и содержание курсовой работы

При разработке конструкции ФПУ предусматривается совмещение в едином целом некоторой совокупности функционально связанных между собой элементов и узлов оптических, механических, фотоэлектрических и электронных, выполняющих единую функциональную задачу. При этом элементы и узлы должны быть объединены таким образом, чтобы выполнялись требования ТЗ и конструкция в целом отвечала эстетическим требованиям технологичности и учитывала особенности работы фотоприемного устройства данной ОЭС.

Общий объем курсовой работы складывается из расчетов основных параметров разрабатываемого узла, блока или какой-либо части прибора и оформляемых в виде расчетно-пояснительной записки и графической части, отражающей процесс конструирования узла, блока или какой-либо части прибора, выполняемой методом технической инженерной графики.

Графическая часть работы должна давать полное представление о конструкции разрабатываемого узла (ФПУ), его особенностях и должна быть выполнена так, чтобы по ней при необходимости можно было провести деталировку любого узла устройства, т.е. она должна давать полное представление о форме и особенностях любой детали входящей в состав разрабатываемого ФПУ.

Графическая часть должна содержать общий вид разрабатываемого устройства и схемы, поясняющие его принцип построения и работы (оптическую, структурную, электрическую – 0,5 листа).

Расчетно-пояснительная записка курсовой работы не должна превышать 40 страниц рукописного текста и должна быть оформлена в соответствии с требованием стандарта МГУПИ. Текст пояснительной записки должен сопровождаться обязательно ссылками на используемые источники, а формулы, таблицы и рисунки должны быть пронумерованы.

В расчетно-пояснительной записке должны быть отражены: техническое задание на работу; описание структурной схемы, по которой строится ФПУ; дан (краткий) сравнительный анализ отличительных особенностей данной схемы, выполнены основные расчеты (оптические, кинематические, точностные, расчет электронных схем).

Оптические расчеты включают в себя габаритный и энергетический расчеты. Габаритный расчет оптической системы можно, по усмотрению руководителя, проводить в уменьшенном объеме с описанием, что и как выполняется в этом расчете и представлением конечных результатов. Энергетический расчет проводится в полном объеме с подробным расчетом шумов и сигнала, анализом их спектральных свойств, выбором элементной базы и ее обоснованием. Кинематический расчет проводится по усмотрению руководителя. В точностном расчете оценивается степень выполнения требований ТЗ. В электронном расчете проводится только расчет каскада согласования усилителя и фотодетектора, определение общего коэффициента усилителя и распределения его по каскадам и обоснование уровня шумов усилителя.

В расчетно-пояснительной записке должно быть представлено описание конструкции ФПУ и правила его эксплуатации и установки, спецификация сборочных единиц и список используемых источников.

Содержание пояснительной записки, следующее после технического задания, должно отражать все ее разделы и подразделы.

Таблица 3.2 - Задания на проектирование

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
	Темпера тура объекта, Тоб, К	Площадь объекта, Sоб, м2	Дальность до цели, D, км	Поле обзора, wo, град	Яркость фона, L, Вт/м2ср	Диаметр оптической системы приемника, Dоб, мм	Напряжение питания ФПУ, Еп, В	Тип схемы	Число секторов растра, m	Скорость вращения растра, n, об/мин
0	850	2,5	2,0	1,0	10	50	+10	I	7	3200
1	1200	2,5	3,0	1,5	15	60	+15	II	9	3200
2	750	3,0	3,5	2,0	20	70	+27	I	11	3200
3	1300	5,0	4,0	2,0	25	80	+10	I	7	4200
4	900	4,0	3,0	2,5	20	90	+15	I	9	4250
5	1100	3,5	2,0	2,0	20	80	+27	II	11	4200
6	950	2,5	2,5	1,5	15	100	+15	I	7	4800
7	1200	3,0	3,0	1,5	10	60	+10	I	9	4800
8	1150	1,5	4,0	1,5	10	50	+15	I	11	4800
9	850	3,0	4,0	1,0	15	70	+27	I	7	5200
10	1050	2,0	5,0	1,5	20	80	+15	II	9	5200
11	1300	1,5	5,0	1,5	15	40	+15	II	11	5200
12	1250	2,5	3,5	1,0	20	45	+10	II	7	3600

Последние две цифры номера шифра зачетной книжки определяют номер варианта задания. При этом последняя цифра шифра характеризует номер строки в таблице 2.2, определяя вариант данных, а предпоследняя номер строки, определяет параметры n и m анализатора.

Варианты структурных схем ОЭП показаны на рисунке 1.5 (I и II).

Вариант I. Структурная схема ОЭП с амплитудно-фазовым анализатором двухчастотного типа. При смещении источника излучения с оптической оси возникающие фазовые рассогласования между сигналами измерительного и опорного каналов вызывают появление сигнала рассогласования на выходе фазового детектора, под действием которого следящее устройство схемы управления следящего привода ориентирует оптическую ось ОЭП на источник излучения.

Вариант II. Структурная схема ОЭП с делительной призмой. Поток излучения с оптической системы разделяется на два, каждый из которых модулируется по амплитуде, преобразуется в электрический сигнал и поступает на вычитающее устройство. Сравнивая параметры электрических сигналов, вычитающее устройство вырабатывает сигнал рассогласования, поступающий на схему управления следящего привода. Для стабилизации параметров предусилителя ФПУ введена схема АРУ 8.

1. оптическая система, 2 – анализатор изображения, 3 – фотодетектор, 4 – предусилитель, 5 – избирательный усилитель, 6 – опорный канал, 7 – фазовый детектор, 8 – схема управления следящего привода.

1 – оптическая система, 2,3 – фотодетекторы, 4,5 – предусилители, 6,7 – схемы формирования, 8 – схема АРЧ, 9 – вычитающее устройство, 10 – модулятор, 12 – делитель, 13 – схема управления следящего привода.

Рисунок 3.1 - Структурные схемы ОЭП

3. Расчет фотоприемного устройства

Электрический сигнал, снимаемый непосредственно с фоточувствительного элемента, как правило, не пригоден для непосредственного использования в исполнительных устройствах аппаратуры, как по амплитуде, так и по форме. Это вызывает необходимость его усиления и предварительной обработки, которые осуществляются предварительным усилителем. Значительный разброс параметров фотодетекторов создает сложности оптимального согласования фотодетектора и предусилителя.

Чаще всего в качестве согласующего с источником сигнала элемента находят применение биполярные и полевые транзисторы, отбираемые по следующим параметрам: коэффициент шума F, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h_2э, крутизна характеристики S, предельная частота усиления f_α, обратный ток коллектора I_kо, ток затвора I_з, входная емкость C_k и C_зU.

При выборе типа транзистора необходимо, чтобы его собственные шумы были меньше собственных шумов приемника излучения. Для расчета схемы согласующего каскада можно воспользоваться методикой, изложенной в [6]. В настоящее время в качестве согласующих каскадов широко используются интегральные микросхемы, анализ возможных вариантов применения которых, в качестве согласующих каскадов, дан в [5]. При расчете ФПУ необходимо сделать выбор схемы включения фотодетектора, выбрать сопротивление нагрузки и входное сопротивление предусилителя, выбрать схему предусилителя, рассчитать величину разделительной емкости, рассчитать и выбрать элементы схемы предусилителя, определить шумы во входной его цепи.

Пример. Требуется провести расчет каскада согласования фотодетектора и усилителя. Фотодетектором является фоторезистор СФ4-3А, напряжение питания + 15В.

Согласующий каскад собираем по схеме истокового повторителя на базе полевого транзистора КП302БМ с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа.

Таблица - Характеристики транзистора

Тип прибора	Рси max, Вт	Uзи отс, В	Uси max, В	Uзи max, В	Ic max, мА	Ic нач, мА	Iз ут, нА
КП302БМ	300	5	20	10	43	≤ 43	10
	S,мА/В	С11U,пФ	С12U,пФ	Rси отк, Ом	Кш, дБ	tвкл, нс	tвыкл, нс
	7…14	≤ 20	≤ 8	≤ 150	< 3 (1 кГц)	≤ 4	≤ 5

По графикам и входных и выходных характеристик транзистора выбираем рабочую точку: , , (исходя из следующих условий: , ).

Для работы транзистора необходимо соблюдать условие: .

Найдем из выражения: .

Рисунок 3.2 - Схема согласующего каскада

.

Определим входное сопротивление истокового повторителя:

,

где К_ос – коэффициент обратной связи, берется близким к единице, например, 0,9. Тогда

.

Теперь определим сопротивление нагрузки каскада по постоянному току:

.

Рассчитаем делитель напряжения и :

и .

Если > , то необходимо изменить напряжение питания или точку покоя.

Рассчитаем сопротивление нагрузки по переменному току:

.

Тогда входное сопротивление следующего каскада будет равно (так как ).

Оценим входную емкость по справочным параметрам транзистора:

;

;

;

.

По техническому заданию требуется рассчитать отношение сигнал/шум на выходе ФПУ. Различают внешние и внутренние шумы устранимые и неустранимые. По физической природе внешние шумы представляют собой флуктуации потока излучения, приходящего на фотодетектор. Эти флуктуации вызваны рядом причин, к которым относятся: модуляция неравномерного фона анализаторами изображения, статистический характер потока излучения (фотонные шумы), случайный характер радиационного и конвективного энергетического теплообмена между фотоприемником и окружающей средой (радиационные шумы). Внутренние шумы - это шумы, возникающие в самом фотоприемном устройстве и в силу того, что они зависят не только от свойств фотодетекторов, но и от схемы их включения и условий работы их подразделяют на собственные шумы фотодетекторов и шумы схемы.

К основным видам собственных шумов относят шум дробового эффекта, тепловой шум, генерационно-рекомбинационный шум, избыточный шум.

В общем случае все источники шумов, возникающие в фотоприемном устройстве, считаются статистически независимыми и, по этой причине, суммарное значение среднеквадратического значения напряжения шума на выходе фотоприемника равно .

Для разобранного выше примера необходимо посчитать также шумы повторителя, должно выполняться следующее условие: , то есть суммарный шум приемника излучения должен превышать шум повторителя, иначе необходимо выбирать транзистор с меньшими шумами. Шум повторителя считаем по формуле: .

Отношение сигнал/шум:

, (3.1)

а

, (3.2)

где - интегральная вольтовая чувствительность приемника излучения, В/Вт; - освещенность входного зрачка приемной системы ОЭП, Вт/см²; - площадь приемной площадки приемника излучения, см²; - интегральный коэффициент пропускания оптической системы; - коэффициент модуляции.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. – М.: Сов. радио, 1980 г.

2. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1984 г.

3. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы (основы теории и расчета). М. Энергия, 1974 г.

4. Мирошников Н.Н. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л. Машиностроение,1983 г.

5. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М. Энергатомиздат, 1984 г.

6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М. Высшая школа, 1982

7. Брамсон М.А. Справочные таблицы по ИК излучению нагретых тел. М. Наука, 1964 г.

8. Криксунов Л.З. Справочник по основам ИК-техники. М. Сов. радио, 1978 г.

9. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. М. Радио и связь, 1987 г.

10. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для ИК техники. М. Наука, 1965 г.

11. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980 г.

12. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин В.С. Источники и приемники излучения. М.: Машиностроение, 1986 г.