ской трубе покрывают только столб такой же длины, что и антенна, напротив задней части антенны.

Коэффициент сопротивления при испытании в аэродинамической трубе рассчитывается по следующей формуле

В данной статье представлены методы определения значения лобовой и боковой ветровой нагрузок, а также эффективная площадь лобового сопротивления. Эти методы подкрепляются испытаниями в аэродинамической трубе. Максимальная ветровая нагрузка зависит от опор и условий установки, и ее значение варьируется в зависимости от условий. Испытание в аэродинамической трубе используется для определения характеристик ветровой нагрузки одиночной антенны. Однако в реальных приложениях поведение ветра и условия установки более сложны, чем в аэродинамической трубе. Данные о ветровой нагрузке являются точными и надежными, предоставляя поставщикам услуг беспроводной связи инструменты для принятия наилучшего решения о покупке антенны.

Литература

1.E. Pezo, P. Gonçalves, and D. Roehl, “Non-linear finite element analysis of the dynamics of a slender cable stayed tower,” MATEC Web Conf., vol. 03001, pp. 8–11, 2018.

2.S. Alshurafa and D. Polyzois, “Design recommendations and comparative study of FRP and steel guyed towers,” Eng. Sci. Technol. anInt. J., vol. 21, no. 5, pp. 807–814, 2018

3.V. Bezrukovs, S. Upnere, V. Bezrukovs, A. Zacepins, and N. Jekabsons, “Effect of the Cellular Communication Mast Structure on the Wind Speed Measurement Results,” Int. J. Contemp. ENERGY, vol. 3, no. 2, pp. 41–49, 2017.

4.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

30

5.Чирков О. Н. Повышение помехоустойчивости высо- ко-скоростной беспроводной системы обмена информации WIFI // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 3. С. 66-67

6.Чирков О.Н., Астрединов Р. К. Многополосный преобразователь частоты OFDM // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, 2018. С. 120-124.

Воронежский государственный технический университет

31

УДК 628.971.6

А. С. Костюков, И. С. Бобылкин, А. А. Затонский, Д. Р. Елкин, Н. Р. Ломакин

УСТРОЙСТВО ПОДСВЕТКИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

ВТЕМНОЕ ВРЕМЯ СУТОК

Вработе рассмотрено устройство подсветки автомобильной дороги, который будет помогать водителям в темное время суток, рассмотрен принцип работы, а также приведен пример его коммерциализации.

Ключевые слова: автомобильная дорога, освещение, ArduinoNANO.

На сегодняшний день около 18 % автодорог федерального значения не имеют искусственного освещения. Данное обстоятельство может провоцировать различные аварийные ситуации, которые могут повлечь за собой человеческие жертвы. Как раз для искоренения данной проблемы и было разработано устройство, направленное на улучшение освещения автомобильных дорог в темное время суток и в условиях густого тумана. Установка нашего устройства займет намного меньше времени и средств, нежели установка фонарного столба, что является хорошей альтернативой второму. Так, например, можно взять трассу Р-298 Курск-Воронеж - трасса практически не освещена, извилистая, в ночное время даже при полном освещении ехать по ней проблематично. По всему периметру трассы установлены дорожные барьерные ограждения. Планируется, что на такие ограждения можно будет прикрепить устройство освещения.

Предварительный образец разработанного устройства включает в себя: программируемый контроллер ArduinoNANO, фоторезистор VT83N1, светодиодная лампа XML2, сервопривод SG90. В планах перейти на более компактную модель контроллера и провести испытания фоторезистора для определения наилучших параметров работы [1].

В основном корпус состоит из нержавеющей стали, толщиной 1 мм, за исключением передней крышки, она состоит из алюминия толщиной 5 мм. Размеры корпуса 50х30х30. Что касается материала – это нержавеющая сталь ГOCT 5582-75.

32

Рис. 1. Схема устройства подсветки

Стандартный ряд толщин тонколистовой стали: холод-

нокатаная от 0,5 до 3,9 мм с шагом 0,05; 0,1; 0,2; 0,3

мм.Обладает высокими термальными показателями, отлично показывает себя в умеренном климате, антикоррозийный. Так же используется лист алюминиевый 1105АМ, 1,2х1200х3000 пластичный, ковкий и мягкий листовой металлопрокат, отожженный при высокой температуре. Прокатка на прокатном стане с 2-5 % обжатием (дрессировка) способствует частичному восстановлению твердости будет служить для отвода тепла от светодиодной лампа XML2. (рис. 1)

В светлое время суток устройство работает, получает данные освещенности, температуры и влажности, если влажность составляет более 60 %, то дается команда на включение светодиода поднятие сервоприводом рассеивающих линз, которые освещают дорогу, улучшая видимость трассы для водителей любых автомобилей. В ночное время принцип работы похож, за исключением рассеивающих линз (если нет густого тумана или дождя). Рассеивающие линзы убираются в специально предназначенные отверстия на корпусе. В открытом состоянии они рассеивают свет, понижая цветовую температуру светодиода с 7500к(яркого дневного света) до 4000к(холодного белого цвета), что позволяет лучше видеть дорогу, так как на цветовой температуре в 7500к свет будет отражать от капель воды в воздухе, что не позволяет четко видеть трассу далеко перед со-

33

бой[2].Планируется, что устройство сможет освещать до 2х полос в одну сторону.

Основной рынок сбыта продукции дорожная инфраструктура. Проект является конкурентоспособным, имеет высокий потенциал модернизации. Аналогами данного устройство являются фонарные столбы и противотуманные фары у автомобилей, но проект спроектирован не как конкурент вышеперечисленным, а как вспомогательное устройство на сложных участках дорог.

Устройство является ремонтно-пригодным и не дорогим, цена одного такого устройства варьируется от 1000-1500 рублей. Светодиоды будут стоять на клеммах, что упрощает замену этого элемента в разы, не надо ничего перепаивать. Минусы устройства в том, что не решен вопрос с влагостойкостью, данный вопрос будет решен при работе прибора на лабораторных испытаниях. Пока что грязь и пыль могу стать проблемой работы устройства.

Конечным этапом разработки устройства является регистрация оборудования и успешное окончание лабораторных испытаний, что позволит получить готовый коммерческий продукт, для последующего вывода его на рынок.

Литература

1.Баканов Г. Ф. и др. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств/ учебное пособие для студентов высших учебных заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 368 с.

2.Никитин Л. Н. Автоматизированные методы диагностики и испытаний РЭС / Л. Н. Никитин, А. С. Костюков, И. С. Бобылкин – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 218 с.

3. Астахов Н. В. Верификация LDPC-кодов / Н. В. Астахов, А. В. Башкиров, А. С. Костюков, М. В. Хорошайлова, О. Н. Чирков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж: ВГТУ, 2017. – Т. 13, № 1. – С. 74-77.

34

4.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

5.Чирков О. Н., Муратов А. В. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». - 2012. - Т. 1. - С. 364.

6.Чирков О. Н. Помехоустойчивый алгоритм декодирования ортогональных пространственно-временных блочных кодов систем MIMO в замирающих каналах радиосвязи / Чирков О. Н., Бобылкин И. С., Свиридова И. В., Матвеев А. А., Соболев М. И. // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2019. Т. 2. С. 90-92.

Воронежский государственный технический университет

35

УДК 62-135.1

А. С. Костюков, Б. А. Середин, А.П. Хрипунков, Н. Р. Ломакин, Н. А. Хромых

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРАМИ КОМПЬЮТЕРА

В работе приведен блок управления вентиляторами компьютера, предназначенный для уменьшения громкости звука, образующегося при работе системного блока компьютера. Приведены технические характеристики, принципиальная схема, принцип действия устройства, сборка прибора и его регулировка.

Ключевые слова: уровень зашумленности, канал управления, интегральные таймеры.

При работе компьютера некоторые его составные части сильно нагреваются. Для обеспечения всех составляющих электроэнергией применяется блок питания, который в свою очередь тоже нагревается. Из этих факторов можно сделать вывод, что внутри корпуса системного блока создается излишнее повышение температуры, которое может губительно повлиять на детали. Поэтому на компоненты, которые выделяют тепло, устанавливают небольшие вентиляторы. В процессе своей работы вентиляторы издают акустические шумы.

Проблема уменьшения уровня зашумлённости, создаваемого системой охлаждения ПК до сих пор остается актуальной. Эту проблему можно решить традиционным способом, снизить частоту вращения вентиляторов, когда интенсивное охлаждение компьютера не требуется. Для этого нужен блок управления вентиляторами компьютера [1]. Как раз для этих целей и было разработано устройство, которое представлено ниже.

Технические характеристики:

−напряжения питания, В 12;

−ток потребления, мА 200;

−выходное сопротивление, Ом 0,35.

Приемлемые условия для корректной работы элементов:

−рабочая температура, °С -40...+70;

−влажность воздуха, % 96;

−атмосферное давление, мм.рт. ст. 756.

36

Устройство надежно и безопасно в работе, ремонтопригодно, удобно в использовании. Выполнено и из современных легких материалов с использованием малогабаритной, недорогой элементной базы [2].

Принципиальная схема блока изображена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема блока

37

В блоке находится пара независимых каналов управления. Вход первого канала, сконструированного на схемах DA1 и DA2 и транзисторах VT1, VT2 и вилки XP1 к которому подклю-

чают вентилятор, охлаждающий теплоотвод процессора. Второй канал на схеме DA3 и транзисторе VT3 обслуживает прочие пропеллеры, подключенные к вилке XP2.

На интегральных таймерах DA2 и DA3 собраны идентичные генераторы импульсов частоты 10...15Гц. Цепи зарядки и разрядки время задающих конденсаторов C1 и C2 разделены диодами VD1…VD4 для регулировки скважности создаваемых импульсов реостатами R4 и R5.

Импульсы поступают на затворы полевых транзисторов VT2 иVT3 с последовательно соединенными каналами. Частота вращения роторов пропеллеров в широком спектре при сохранении относительно высокого пускового момента регулируется путем изменения скважности импульсов. Рассеиваемая мощность полевых транзисторов очень мала благодаря импульсному режиму работы, что позволяет не устанавливать эти транзисторы на теплоотводы. КонденсаторыC5 и C6 смягчают перепады импульсов, что устраняет звуки, издаваемые двигателями пропеллеров.

В канале управления пропеллером процессора встроен дополнительный узел, отвечающий за включение вентилятора на полную мощность при условии, что температура теплоотвода процессора поднимается выше допустимой. Узел подстроен по известной схеме ОУ DA1. В роли датчика температуры выступает транзистор VT1, Температура срабатывания задается подстроечным резистором R. Сигнал с выхода ОУ DA1 логически суммируется с импульсами генератора на таймере DA2 с помощью диодов VD5 и VD6, из-за чего при достижении критической температуры транзистор VT2 не закрывается и вентилятор работает во всю силу [2].

Собранное устройство представлено на рис. 2.

38

Рис. 2. Блок управления вентиляторами

Регулировка блока управления вентиляторами компьютером происходит следующим образом. Движки подстроечных резисторов R4, R5, R7 повернуть вправо до упора. К вилкам SP1, XP2 подключить пропеллеры, а элемент питания 12В – к гнездам 2 и 1 розетки XS1. При подаче напряжения пропеллеры начинают вращение с максимальной частотой.

Медленно повернуть движки подстроечных резисторов R4 и R5 влево, плавно уменьшить частоту вращения вентиляторов и громкость издаваемого ими звука. Продолжить уменьшать частоту до пропадания шума подшипников.

39

Затем проверить узел на ОУ DA1 путем нагрева транзистора VT1 приблизительно до 40 °С любым доступным методом. Медленно повернуть движок резистора R7 влево до перехода вентилятора в режим работы на максимальной частоте вращения и остановить нагрев датчика. Через короткий промежуток времени частота вращения должна резко снизиться. На этом моменте первоначальную регулировку блока управления можно завершить.

Преимущества предлагаемого блока управления вентиляторами компьютера состоит в том, что он изготовлен на отечественной элементной базе, а так же не содержит дефицитных деталей. В рассматриваемом блоке регулирование напряжения, питающего двигатели, происходит импульсным методом. Данный блок управления лучше всего устанавливать внутри корпуса любого настольного компьютера

Литература

1.Баканов Г. Ф. и др. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств/ учебное пособие для студентов высших учебных заведений/ - М.: Издательский центр «Академия», 2007, - 368 стр.

2.Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: учебное пособие СГ1Б.: Питер, 2003521 с.

3.Никитин Л. Н. Автоматизированные методы диагностики и испытаний РЭС / Л.Н. Никитин, А. С. Костюков, И. С. Бобылкин – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 218 с.

4.Астахов Н. В. Верификация LDPC-кодов / Н. В. Астахов, А. В. Башкиров, А. С. Костюков, М. В. Хорошайлова, О. Н. Чирков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж: ВГТУ, 2017. – Т. 13, № 1. – С. 74-77.

5.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

40

УДК 621.9

Б. А. Середин, А. В. Турецкий, О. Н. Чирков, А. П. Хрипунков, М. А. Филатов

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЁМКОСТИ И ЭПС КОНДЕНСАТОРОВ

В работе представлено описание функционирования измерителя ёмкости и ЭПС конденсаторов. Устройство предназначено для измерения параметров конденсатора, таких как емкость и эквивалентное последовательное сопротивление, а так же измерение активного сопротивления, измерение и онистров. Имеется режим милиомметра и режим калибровки прибора. У прибора имеется защита от случайного подключения к входу прибора заряженного конденсатора.

Ключевые слова: емкость, ЭПС, индикация, режим.

Главным элементом измерителя емкости и ЭПС конденсаторов является микроконтроллер DD1 PIC16F873A-I/SP[1], тактовая частота задаётся кварцевым резонатором BQ1 и с о- ставляет 16 МГц и с помощью двух конденсаторов. Так как питание устройство маленькое и составляет 1,5 В, а для микроконтроллера DD1 PIC16F873A-I/SP необходимо напряжение питания 3,3 В, то достижение этой величины достигается за счёт повышающего преобразователя напряжения DA1 NCP1402SN33, а так же благодаря диоду VD5, дросселю L1 с конденсаторами С2, С5, С6. Преимущества этой микросхемы заключены в высоком коэффициенте полезного действия и маленьким током потребления, который составляет 30 мА.

Измеренные параметры конденсатора попеременно два раза в секунду выводятся на четырёхразрядный светодиодный индикатор HG1 в виде двух четырёхзначных значения. Эти значения либо же измеренные параметры или же два служебных слова. Именные выводы катов подключены к выходам порта В микроконтроллера, а общие выводы элементов для каждого разряда подключены к таким выводам микроконтроллера, как RC4RC7. Так же нужно сказать, что для четырёхразрядного светодиодного индикатора HG1 применена поэтапная динамическая индикация, то есть в каждый момент времени бывает включен

41

только один из всех элементов в количестве 32 штук. С помощью динамической индикации возможет уход от разрядных ключей и от резисторов задающих ток. Так же касаемо индикатора, то определение типа индикатора с общим анодом или же с общим катодом определяется программно.

Процесс измерения емкости основан на зарядке стабильным током. Для простоты устройства в качестве источников тока использованы обычные резисторы. На измеряемом конденсаторе напряжение в процессе его зарядке незначительно изменяется, максимум на 0.1 В, что существенно меньше напряжения питания которое составляет 3.3 В. Следовательно изменениями тока при измерении можно пренебречь.

Ток определяется резисторами R10 – 0.1 мА, R11 и R12 – 1 мА, R13 – 10 мА в зависимости от предела измерения. С эт и- ми же резисторами последовательно включен резистор R1 величиной 3.3 Ом и выходное сопротивление используемого выхода микроконтроллера примерно 110 Ом. Влияние на ток величиной 10 мА и 1 мА принято во внимание при выборе номиналов резисторов R11, R12, R13. Влияние на ток величиной 0.1 мА компенсируется предусмотренным режимом калибровки.

Резистор на 5 Вт и диоды повышенной мощности VD2 и VD3 образуют цепь предназначенная для защиты транзистора VT1, а так же выводы микроконтроллера RC0, RC1, RC3. Эта цепь быстро поглощает запасённую энергию в конденсаторе, тем самым разгружая другие элементы защиты. Резистор R3, диод VD4 и резистор R6 образуют цепь для защиты входа микроконтроллера AN0 и не инвертирующий вход операционного усилителя DA2.

Малый ток потребления сдвоенного операционного усилителя MCP6022 – I/SN, который составляет не более 1.5 мА, позволяет питать его от параллельно соединенных выходов микроконтроллера RA2 и RA5.

Небольшое положительное напряжение на входе операционного усилителя создает цепь резисторов R3 и R5. Это напряжение с избытком компенсирует существующее начальное смещение [4]. Так же этот избыток учитывается при вычислении результата измерений. Ток через резистор R5 создаёт нужный потенциал на входе прибора, необходимый для фиксации подключения к объекту измерения. Устойчивость усилителя в паузах между измерениями достигается за счет конденсатора С1.

42

Принцип измерения ЭПС состоит в том, что транзистор VT1 c резистором R4 используется для разрядки испытуемого конденсатора, так же эта связка используется и для калибровки прибора [1]. После происходит измерение величины исходного напряжения. Затем конденсатор подвергается зарядке током 10 мА дважды по определенному времени. Соответственно измеряя напряжение в каждом интервале времени. При высоком значении напряжения, превышающем некоторое заданное значение, то с помощью программы происходит разряд конденсатора, а так же все измерения при токе величиной 1мА. В некоторых случаях может потребоваться и измерение током 0,1 мА. Когда измеряемое напряжение находится в диапазоне заданного значения, то с помощью программы происходит вычисление ЭПС конденсатора.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Режим ожидания прибора включается при неподключенным к измеряемому объекту или разомкнутым щупам. Прибор будет переменно выводить на индикатор элемент G у второго и третьего разряда. Если спустя 60 с к прибору ничего не будет подключено или не будут замкнуты щупы, то индикатор погаснет полностью.

Как только напряжение питания опустится до значения 1,1 В, то при переходе в данный режим в течение двух секунд на

43

индикаторе высветится попеременно меняющихся два сообщения изображенных на рис. 2.

Рис. 2. Уведомление в режиме ожидания

После вывода этого предупреждающего сообщения прибор уйдет в спящий режим с отключенным индикатором.

Когда напряжения питания опустится ниже значения 1 В, то произойдет выключение прибора. Дальнейшее его использование возможно только при замене питающегося элемента.

Для долгого неиспользования или хранения прибора предусмотрен выключатель.

При подключении конденсатора к щупам или же к специальному разъему, который находится на боковой плоскости корпуса спустя непродолжительное время для разрядки конденсатора, если он заряжен, происходит измерение параметров конденсатора, которые поочередно выводятся на индикатор.

Изначально на индикатор выводится значение параметра емкости на рис. 3.

Рис. 3. Значение параметра емкости:

а) малы для измерения; б) в пределе от 0,1 мкФ до 99.9 мкФ; в) в пределе от 1 мкФ до 999 мкФ; г) в пределе от 1000 мкФ до 9999 мкФ; д) в пределе от 0,01 Ф до 0,999 Ф;

е) выше 0,999 Ф.

44

После значения ёмкости на индикатор выводится значение параметра ЭПС. Условное представление этого параметра изображено на рис. 4.

Рис. 4. Значение параметра ЭПС:

а) в пределе от 0,01 Ом до 9,99 Ом; б) в пределе от 0,1 Ом до 99,9 Ом; в) пределе от 1 Ом до 700 Ом;

г) вне предела измерения

При подключении резистора к щупам или же к специальному разъему, который находится на боковой плоскости корпуса, на индикатор выводится поочередно надпись, изображенная на рис. 5. А так же после выводится значение измеряемого сопротивления в таком же виде, как и значение ЭПС.

Рис. 5. Надпись сообщения

Для измерения параметров заряженного ионистра требуется некоторое время. В это время прибор будет поочередно выводить на индикатор сообщение, изображенное на рис. 6. Для правильного измерения параметров заряженного ионистра нужно подключить его положительный вывод к щупу подключенный разъему Х1 (“+”), а отрицательный к щупу подключенному к разъему Х2 (“-”). В противном же случае показания будут некорректными.

45

Рис. 6. Надпись сообщения

Если в продолжение тридцати секунд не размыкать щупы, то высветится поочередно меняющееся сообщение изображенное на рис. 7.

Рис. 7. Надпись сообщения

Это сообщение говорит о том, что для осуществлено включения режима измерения сопротивления при постоянном токе нужно разъединить щупы за четыре секунды. Здесь происходит измерение только величины сопротивления. Так же нужно сказать, что данный режим обеспечивает более точное измерение. При измерении величины большей чем девять Ом, появляется сообщение изображенное на рис. 8. Для отключения этого режима достаточно не замыкать щупы в течение двух минут

Рис. 8. Надпись сообщения

При разъединение щупов в течение большего времени, чем четыре секунды после появившейся индикации изображен-

46

ной на рисунке 6 включится калибровка прибора. В течении двух секунд на индикаторе появляется сообщение изображенное на рис. 9.

Рис. 9. Надпись сообщения

После этого на индикаторе появляются поочередно меняющиеся сообщения изображенные на рис. 10.

Рис. 10. Надпись сообщения

Оно говорит о необходимости размыкания щупов в течение десяти секунд, если щупы не будут разомкнуты в течение десяти секунд, то произойдет выход из режима калибровки. Далее через три секунды на индикаторе появятся поочередно меняющиеся сообщения, изображенные на рис. 11.

Рис. 11. Надпись сообщения

Это сообщение предупреждает о том, что нужно замкнуть щупы в течение 10 секунд. После этого калибровка за-

47

кончится, что вызовет поочередно меняющиеся сообщения, изображенные на рис. 12.

Рис. 12. Надпись сообщения

Калибровки не требует частого повторения, а результат этого режима останется в энергонезависимой памяти ЕЕРRОМ микроконтроллера хоть при отключении элемента питания.

В качестве дальнейшей модернизации устройства можно рассмотреть модели [2,3,5].

Литература

1.Катцен С. PIC – микроконтроллеры. Всё, что вам необходимо знать / С. Катцен; пер. с англ. Евстифеева А. В. – М.: Додэка-XXI, 2008. – 656с.: ил. (Серия «Программируемые системы»).

2.Ромащенко М. А., Панычев С. Н., Чирков О. Н. Оптимальные алгоритмы совместной оценки канала радиосвязи и смещения частоты при многолучевом распространении сигнала

//Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 156-162

3.Чирков О. Н. Математическая модель взвешенной оценки канала радиосвязи для многоантенных OFDM-систем // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 4. С. 49-54.

4.Чирков О. Н., Астрединов Р. К. Многополосный преобразователь частоты OFDM // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, 2018. С. 120-124.

48

5.Чирков О. Н., Кузнецова А. О. Итеративная методика помехоустойчивого приема QAM-сигналов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т.

15.№ 4. С. 84-88.

6.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

7.Чирков О. Н. Помехоустойчивый алгоритм декодирования ортогональных пространственно-временных блочных ко-

дов систем MIMO в замирающих каналах радиосвязи / Чирков О. Н., Бобылкин И. С., Свиридова И. В., Матвеев А. А., Соболев М. И. // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2019. Т. 2. С. 90-92.

Воронежский государственный технический университет

49

УДК 621.9

А. В. Турецкий, О. Н. Чирков, Б. А. Середин, А. П. Хрипунков, М. А. Филатов

КОНСТРУКТОРСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЁМКОСТИ И ЭПС КОНДЕНСАТОРОВ

В работе представлено конструкторское исполнение измерителя ёмкости и ЭПС конденсаторов.Конструкция измерителя ёмкости и ЭПС конденсаторовпредставляет собой законченное устройство с возможностью измерения параметров конденсатора, как с помощью подключаемых щупов, так и непосредственно подключая конденсатор напрямую с помощью разъемаpbs.

Ключевые слова: емкость, ЭПС, крышка, основание, измеритель.

Измерительными приборами принято называть такие устройства, предназначающиеся для получения точных значений необходимых физических величин в установленных диапазонах, которые будут доступны для непосредственного восприятия оператора.

Всвязи с развитием современной радиоизмерительной техники, происходит обширное внедрение измерительных устройств с цифровой индикацией. Приборы, созданные для измерения разных величин, владеют высочайшей точностью измерений, а так же наглядностью, что способствует наиболее эффективно принимать полученную величину, которая доступна для восприятия наблюдающего. Внедрение таковых измерительных устройств используются не только в научной и промышленной среде, но и в радиолюбительской практике[3-5].

Изменение параметров и свойств конденсаторов является одной из главных проблем, из-за которых возникают поломки

вприборах. Решением этой проблемы является прибор, который способен одновременно измерять ёмкость конденсаторов и эквивалентное последовательное сопротивление. На основании этих измерений, можно вычислить, находятся ли на плате элементы, нуждающиеся в замене.

Вэтой статье рассматривается устройство «Измеритель емкости и ЭПС конденсаторов». У предлагаемого устройства главными преимуществами перед аналогами является: экономичность по питанию, защита от случайного подключения за-

50

ряженного конденсатора, измерение активного сопротивления. Также прибор практически в ста процентах случаев позволяет проверить конденсаторы, не выпаивая их из устройства, в котором они установлены.

Технические характеристики измерителя емкости и ЭПС конденсаторов:

-напряжение питания: 1,1…1,6 В;

-средний ток потребления в режиме измерения: 50 мА;

-средний ток потребления в режиме ожидания: 16 мА;

-средний ток потребления в спящем режиме: 0,055 мА;

-пределы измерения ёмкости: 0,1…999999 мкФ;

-пределы измерения активного сопротивления, а так же ЭПС в общем режиме:0,01…700 Ом;

-пределы измерения активного сопротивления, а так же ЭПС в режиме “миллиомметр”:0,01…9 Ом;

-погрешность измерения сопротивления в интервале

0,01…60 Ом: не хуже ±3 %;

-погрешность измерения ёмкости в интервале 0,1…9999 мкФ: не хуже ± 5 %;- максимальное напряжение на заряженном измеряемом конденсаторе:500 В;

-максимальная энергия, поглощаемая защитой: 10 Дж;

-задержка перехода из режима ожидания в спящий режим:60 с;

-габаритные размеры: 118,2×63×31 мм;

-масса: 130 г.

Источником питания устройства является один элемент типоразмера ААА на 1.5 В. Из этого следует, что выполнять расчет теплового режима нет необходимости.

Конструкция измерителя емкости и ЭПС конденсаторов представлена на рис. 1.

В состав конструкции входит:

-крышка;

-печатная плата;

-батарейный отсек;

-основание;

-стекло защитное;

-крышка батарейного отсека;

-выключатель устройства;

-два гнезд для подключения щупов;

-четыре винта 2-2,5×8ГОСТ 11650-80;

51

-четыре винта 2-3×16ГОСТ 11650-80;

-монтажные провода.

Рис. 1. Измеритель емкости и ЭПС конденсаторов

Крышка и основание изготовлены с помощью метода литья в пресс-формы под давлением[1] из литьевой марки АБСпластика АБС 2020-31 черного цвета, высшего сорта ТУ 2214-

019-00203521-96.

Крышка представляет собой прямоугольный параллелепипед. Печатная плата крепится к бобышкам находящихся в крышке с помощью четырех самонарезающих винтов 2-2,5×8

ГОСТ 11650-80.

На лицевой стороне крышки располагаются надписи функциональных элементов, а так де находится отверстие для индикатора, который закрывает защитное стекло. Защитное стекло крепится с помощью клея БФ-4 ГОСТ 1217274[2].

С правой стороны крышки находятся прямоугольное отверстие для установки выключателя устройства, а так же два

52

круглых отверстия предназначенных для установки гнезд под щупы. Выключатель фиксируется с помощью защелок, а гнезда с помощью гаек, которые находятся в комплекте с гнездами. Впоследствии гнезда и выключатель соединяются с платой с помощью пайки монтажным проводом. Крышка изображена на рис. 2.

Рис. 2. Крышка измерителя емкости и ЭПС конденсаторов

Основание повторяет форму крышки, и присоединятся с крышкой при помощи четырех самонарезающих винтов 2-3×16 ГОСТ 11650-80. Шляпки винтов входит в корпус, тем самым не мешают при эксплуатации прибора. Так же в основании присутствует, отвесите для крышки батарейного отсека. Основание изображено на рис. 2.

53

Рис. 3. Основание измеритель емкости и ЭПС конденсаторов

Литература

1.Башкиров А. В., Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы проектирования приборов и систем»: учеб.пособие [Электронный ресурс]. – Электрон.текстовые и граф. данные (5.7 Мб) / А. В. Башкиров, Чирков О. Н. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015 – 85с.

2.Муратов А. В. Выпускная квалификационная работа бакалавра: направления «Конструирование и технология ЭС» и «Приборостроение» [Электронный ресурс]. – Электрон.текстовые и граф. данные (3,97 Мб) / А. В. Муратов О. Ю. Макаров А. В. Турецкий. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. Ч.1.

3.Чирков О. Н. Прямое формирование OFDM сигналов

//Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8, № 5. С. 54-56.

54

4.Чирков О. Н., Муратов А. В. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». - 2012. - Т. 1. - С. 364.

5.Чирков О. Н. Эффективный алгоритм динамического распространения пилот-сигналов для оценки канала радиосвязи

вмногоантенных системах MIMO с ортогональным частотным уплотнением OFDM

6.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

55

УДК 621.9

О. Н. Чирков, А. С. Калинин

КОНСТРУКТОРСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ОХРАННОГО УСТРОЙСТВА НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

В работе представлено описание функционирования и конструкторское исполнение охранного устройства. Конструкция охранного устройства состоит из двух симисторных блоков, подключённых к нагрузке и блока с микроконтроллером, расположенным на плате, к которой подключаются выносные датчики.

Ключевые слова: симисторный блок, микроконтроллер, выносные

датчики.

Данное устройство на восьмиразрядном микроконтроллере ATTINY2313, представленное на рисунке 1, позволяет одновременно контролировать семь объектов (дверей, люков, окон и т.п.). Алгоритм работы представленного изделия заключается в следующем: семь концевых выключателей, являющихся внешними элементами, по отношению к устройству, контролируют состояние условных дверей. Каждый выключатель отвечает за свою дверь. Если дверь закрыта – концевой выключатель разомкнут.

Рис. 1. Структурная схема устройства

56

Нагрузкой № 1 являются устройства, состояние которых не изменяется во времени (постоянно включены при выключенной сигнализации) – электромеханические замки, механизмы блокировки. Для нагрузки № 2, состояние которой, периодически меняется во времени подходит звуковая или световая сигнализация. Внутренние кнопки S1…S7 предназначены для проверки работоспособности системы с выносными концевыми выключателями AB1…AB7.

Принципиальная электрическая схема устройства на микроконтроллере ATTINY2313 представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная

Постоянная нагрузка, значение которой, не меняется во времени, подключается к разъему X1. Канал управления данной нагрузкой собран на транзисторах VT1, VT3 и блоке симисторном A1. Данный канал управляется с вывода 2 микроконтроллера DD1. Нагрузка № 2, периодически изменяющаяся во времени после включения сигнализации, подсоединяется к разъёму X2. Данный канал управления собран на транзисторах VT2, VT4 и блоке симисторном A2. Управление этим каналом, отвечающим за нагрузку, осуществляется с вывода 11 микроконтроллера

57

27 DD1. Порты типа PB микроконтроллера DD1 отвечают за клавиатуру (кнопки S1…S8) и динамическую индикацию, собранную на транзисторах VT5, VT6 и цифровых семи сегментных индикаторах HG1, HG2. Резисторы R10…R17 установлены для ограничения тока на сегментах индикаторов HG1, HG2. Коды для активации этих индикаторов при работе динамической индикации поступают на вход PB микроконтроллера DD1. Для функционирования клавиатуры используется вывод 7 микроконтроллера DD1, рабочая частота которого устанавливается генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц. Питающее напряжение поступает на устройство с разъема X3. Конденсаторы С3…C6 являются фильтрами в цепи питания.

Принцип работы симисторов в устройстве формируется из сигнала, приходящего с микросхемы DD1 на транзисторы, который их открывает, после чего на нагрузку подается переменное напряжение. В результате срабатывает катушка индуктивности электромагнитного замка и одновременно загорается лампа H, которая сигнализирует о срабатывании запорного механизма. Для А1 DD1 выдает постоянный сигнал, в то время, как для блока А2 – дискретный, идущий на транзисторный ключ.

Интерфейс контроля и управления устройством включает в себя клавиатуру из кнопок S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 и S8, индикационный блок, исполненный дисплеем из двух семисегментных индикаторов HG1, HG2, а также лампами H1 и H2. Указанные элементы интерфейса имеют следующий функционал:

S1-S7 – кнопки контроля для проверки всех линий датчиков в системе охраны

S8 – кнопка, отвечающая за выбор режима работы устройства

В режимах № 1 и № 2 разрядам индикации интерфейса присваивают следующие значения:

1 разряд (индикатор HG2) выводит «единицы секунд» во время обратного отсчета при переходах устройства из состояния № 1 в состояние № 2 и из состояния № 2 в состояние № 3. Также HG2 стационарно отображает «1», «2» и «3» в соответствующих режимах работы. Стоит отметить, что режим № 3 подразумевает то, что сигнализация сработала.

2 разряд (индикатор HG1). В режиме № 1 элементы индикатора дают возможность отслеживать и управлять линиями,

58

которые соединены с внешними выносными концевыми выключателями (AB1-AB7). При сменах режимов работы, HG1 выводит «десятки секунд» во время обратных отсчетов.

Лампы H1 и H2 помогают визуально отслеживать наличие подключения сетевого напряжения к нагрузкам.

Выносными элементами по отношению к плате микроконтроллера являются семь концевых выключателей: AB1, AB2, AB3, AB4, AB5, AB6 и AB7. Они дают возможность следить за состоянием семи охраняемых дверей с помощью элементов A, B, C, D, E, F, G индикатора HG1 (рисунок 3).

Рис. 3. Обозначения элементов индикаторов HG

AB1-AB7 подключаются параллельно кнопкам S1-S7 к клеммам A1-A7 и B1 - B7. Каждый концевой выключатель контролирует состояние заданной ему одной двери. Выключатель находится в разомкнутом состоянии, если дверь закрыта, а соответствующий индикатор погашен. Если же дверь открыта – концевой выключатель замкнут, и индикатор начинает мигать. Оставшаяся кнопка S8, устанавливает один из трех режимов работы охранного устройства.

Плата контроллера работает по заданному алгоритму. Питание подается на устройство, и оно переходит в режим №1. В этом режиме происходит проверка состояния дверей контроль работоспособности концевых выключателей. При нажатии кнопки S1, концевой выключатель AB1 активируется и начинает мигать секция А индикатора HG1. Оставшиеся линии контроля работают аналогично. В таблице 1 ниже сопоставлены элементы индикатора HG1, кнопок S1-S7 и концевых выключателей

59

AB1-AB7. В таблице приведено соответствие индикаторов, кнопок и концевых выключателей.

Таблица Соответствие индикаторов, кнопок и концевых выключателей

Врежиме работы № 1 на индикаторе HG2 отображается число «1».

Врежиме работы № 2 происходит постановка устройства под охрану. При нажатии кнопки S8, охранное устройство переключается из режима № 1 в № 2, стартует обратный отсчёт, который отображается на индикаторах HG1 и HG2. Обратный отсчёт времени стартует со значения «99» и декрементируется с каждой секундой. При завершении отсчёта устройство становится на охрану, а на индикаторе HG2 появляется «2». Точка «Н» индикатора HG2 периодически загорается. За отведённые 99 секунд, оператор и прочие лица, должны покинуть охраняемое помещение, закрыть все двери и окна, «сдав объект под охрану».

После постановки охранной системы под охрану, сигнализация срабатывает через 22 секунды с момента замыкания любого из концевых выключателей AB1AB7. Это значит, что после активации хотя бы одного из выключателей AB1-AB730 начнётся обратный отсчёт, индицируемый на панелях HG1 и HG2. При достижении значения «0», сигнал на выводе 11 микроконтроллера DD1 будет иметь форму меандра с периодом две

60

секунды. То есть нагрузка (сирена, ревун и прочее) подключённая к соединителю X1 будет включаться и выключаться с таким же периодом. Всё это время на индикаторе HG2 будет отображаться цифра «3». Точка «H» индикатора HG2 опять периодически загорается. Первый индикатор HG1 в это время погашен.

При нажатии на клавиатуре кнопки S8 в режимах № 2 и № 3, устройство переключится в режим № 1. Таким образом, для «снятия объекта с охраны», необходимо за отведённые 22 секунды с момента открытия двери (замыкания концевого выключателя), нажать кнопку S8. Разумеется, что доступ к этой кнопке ограничен. Сразу после подачи питания на вывод 1 микроконтроллера DD1 через RС-цепь образовывается сигнал системного аппаратного сброса микроконтроллера DD1.

Изделие состоит из: платы управления и контроля работы охранного устройства, двух симисторных блоков, корпуса и крышки. Блок выполнен из двух частей – корпуса и крышки. Для из создания выбран сополимер АБС 2020-30 белый, ТУ 2214-019-00203521-96.

В данном случае необходимо создать корпус, который будет иметь отверстия: для неоновых ламп, под разъёмы GX12M-2B, держатели плавких ставок ДВП4-1, а так же для вывода контактов соединяющих блок с симисторами. На лицевой стороне корпуса должно иметься дополнительное отверстие служащее, для подключения внешних концевых выключателей AB1-AB7.

Рис. 4. Внешний вид корпуса устройства

61

Корпус разделён на три ячейки. В центральной части устанавливается печатная плата. Справой стороны от центральной ячейки расположены цепи управления и питания симистора А1напряжением 220В, подключенные к нагрузке, состояние которой, не изменяется во времени. Цепи управления состоят из: разъёмов X1 и 220В, плавких предохранителей в держателях FU1, FU2 и неоновой лампы с держателем H1. В левой ячейке симметрично установлена аналогичная цепь из элементов X2, FU3, FU4, H2 и разъёма 220В для работы симистора А2, подключённого к нагрузке периодически изменяющейся во времени. Данные цепи относятся к высоковольтным и требуют экранирования, для защиты от случайного контакта с ними.

Крышка разрабатываемого устройства плотно покрывает целиком весь корпус и крепится винтами по четырём краям сверху. Для управления системой, на крышку выведен доступ к кнопкам расположенным на плате, для которого на крышке имеются восемь отверстий. Так же на крышке присутствуют два симметричных отверстия для вывода семисегментной индикации, вместе с которой, кнопки и лампы, расположенные в корпусе, образуют интерфейс охранного устройства.

Рис. 5. Внешний вид блока управления

Учитывая требования унификации, нормализации и технологичности целесообразно выполнить устройство в виде двух симисторных блоков, способных крепиться на DIN-рейке в любом удобном месте, при установке, соединённых с блоком прямоугольной конструкции.

62

Рис. 6. Внешний вид охранного устройства

Литература

1.Проектирование и технология радиоэлектронных средств: разработка конструкции изделий РЭС: учебное пособие

/И. А. Бейнар, В. А. Муратов, Л. С. Очнева, А. А. Соболев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2006. Ч. 1. 147с.

2.Курсовое проектирование по основам проектирования приборов и систем / А. В. Башкиров - Воронеж: ВГТУ, 2015 – 187 с. Журнал «Радиоконструктор» март 2018 (3-2018). 14 с.

3.Ромащенко М. А., Панычев С. Н., Чирков О. Н. Оптимальные алгоритмы совместной оценки канала радиосвязи и смещения частоты при многолучевом распространении сигнала // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 156-162.

4.Чирков О. Н., Муратов А. В. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». - 2012. - Т. 1. - С. 364.

5.Чирков О. Н. Математическая модель взвешенной оценки канала радиосвязи для многоантенныхOFDM-систем //

63

Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 4. С. 49-54.

6. Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

64

УДК 621.9

Е. Д. Сумин, М. А. Ромащенко, О. В. Свиридова

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОИСКА СООТВЕТСТВУЮЩЕГО КОЛИЧЕСТВА БИТОВ ИЗБЫТОЧНОСТИ ДЛЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С РЕГИСТРОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ

В статье представлена методика поиска количества битов избыточности для АЦП SAR (последовательного аппроксимационного регистра аналого-цифрового преобразователя). В общем случае алгоритм двоичного поиска используется в качестве обычного алгоритма работы АЦП SAR. Можно реализовать высокоскоростной АЦП SAR с помощью недвоичного алгоритма поиска, который реализуется путем добавления битов избыточности. Однако время преобразования A/D варьируется в зависимости от количества битов избыточности. Поэтому для того, чтобы время преобразования было максимально коротким, необходимо добавить соответствующее количество избыточности. Показываем методологию нахождения соответствующего количества битов избыточности. Также проведено моделирования для сигма-дельтамодулятора.

Ключевые слова: SAR АЦП, недвоичный алгоритм, резервирование, оптимизация, сигма-дельта модулятор.

В последнее время, в связи с развитием систем смешанных сигналов на кристалле, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые используются между ВЧ-интерфейсом и основной полосой, требуют высокой производительности. Однако в связи с развитием технологий нанопроизводства комплементарных металлоксидных полупроводников (КМОП) возрастает интерес к АЦП регистров последовательного приближения (SAR). Причина в том, что АЦП SAR могут работать без операционного усилителя и при низком энергопотреблении.

Как показано на рис. 1, АЦП SAR состоит из схемы в ы- борки и хранения (S / H), компаратора, цифро-аналогового преобразователя (DAC) и логической схемы SAR[1,2].

65

Рис. 1. Структурная схема АЦП с регистром последовательного приближения

Обычно он работает в соответствии с алгоритмом двоичного поиска, который реализует N-битное разрешение с помощью N сравнений. Для реализации высокоскоростного АЦП последовательного приближения разработан алгоритм, реализуемый путем добавления битов избыточности к разрешающей способности. Другими словами, алгоритм реализует N-битное разрешение посредством M сравнений (N M), и значение, которое должно быть получено вычитанием N из M, указывает количество битов избыточности. Для дальнейшего улучшения времени аналого-цифрового преобразования предложена методика проектирования. Однако трудно найти подходящее количество битов избыточности для получения наименьшего времени преобразования SAR в АЦП, поскольку время преобразования зависит от количества битов избыточности и наличия огромных объемов данных. Следовательно, необходимо, чтобы биты избыточности были добавлены соответствующим образом, чтобы время преобразования было наименьшим [3].

Ниже предложена методика поиска соответствующего количества битов избыточности, в которой приняты следующие обозначения:

- q(k) определяется как диапазон допуска k-й фазы. Этот диапазон указывает максимальное значение допустимой по-

66

грешности между выходным напряжением ЦАП и опорным напряжением k-й фазы при k-м сравнении. Другими словами, чтобы получить правильный выходной сигнал АЦП SAR, при выполнении k-го сравнения должно выполняться следующее уравнение, как показано на рис. 2.

VDAC −Vref (k ) < q(k )[LSB],

где VDAC-выходное напряжение ЦАП, а Vref (k)-опорное напряжение k-й фазы.

Рис. 2. Пример изменения напряжения ЦАП

Если N определяется как разрешение, а M определяется как количество фаз, формируется следующее уравнение:

Когда q(k )≠ 0{k =1,2,3,...,s(s ≤ N )} и

q(k )= 0(k = s +1,s + 2,....,М −1), уравнение 1 выглядит как

67

∑s 2i q()i = M∑−12i , где s указывает количество фаз с резервиро-

ванием.

Определяем количество битов избыточности, которые добавляются к разрешению, как x (М=N+x) и уравнение 4.3 преобразуется в следующее уравнение:

21q(1)+ 22q(2)+...+ 2s q(s)= 2N + 2N +1 +...+ 2N + x −1(2)

В уравнении (2) правая сторона указывает всю избыточность, которая распределяется в каждом диапазоне допуска q(k). Когда добавляем 1 бит к битам избыточности,

21q(1)+ 22q(2)+...+ 2s q(s)= 2N + 2N +1 +...(3)

+ 2N + x −1 + 2N +x

Как показано на рис. 3, ширина диапазона допуска влияет на время изменения ЦАП, необходимое для получения правильного выходного сигнала АЦП SAR, т. е. на период установ-

ки, Tsetting. Другими словами, диапазон допуска влияет на время преобразования A/D.

Рис. 3. Связь между q(k) и Tsetting

68

Например, когда диапазон допусков становится широким, время изменения ЦАП может сократиться, и время преобразования A/D также сокращается. Однако, когда все qk уже максимальны, даже если бит избыточности увеличивается, время преобразования не может быть коротким, потому что диапазон допуска больше не расширяется. Таким образом, оптимальный бит избыточности определяется в диапазоне, удовлетворя-

Когда N =4 бита, 8 бит и 10 бит, оптимальные диапазоны допусков и оптимальные биты избыточности определяются, как показано в табл. 1 и 2. Остальные параметры устанавливаются следующим образом.

а) Vdd=1,8 В, TCLK = 20 пс, Tcomp =10 пс, q(k) ≠0 (k =1, 2, 3, 4, 5), и q(k) = 0 (k= 6, 7,. . . , M).

б) Vdd=1,8 В, TCLK = 2 нс, Tcomp =1 нс, q(k) ≠0 (k =1, 2), и q(k) = 0 (k= 3, 4,. . . , M).