Введение

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Целью данного курсового проекта является электронное устройство под названием «Генератор тональных импульсов в контрольном стенде».

Тональные импульсы можно использовать для проверки динамических параметров измерителей и авторегуляторов уровня, а также устройств шумоподавления. Стенд с генератором тональных импульсов можно использовать при испытаниях компандерных систем шумоподавления, динамических фильтров и другой акустической аппаратуры.

Аналоги генератора тональных импульсов зачастую не соответствуют нормам, где для проверки измерителей уровня частота синусоидального сигнала в импульсах принята 5 кГц, а начало и конец импульсов совпадают с переходом сигнала через «нуль».

Предлагаемое устройство лишено подобных недостатков, а также имеет высокую помехоустойчивость и экономичность.

Проектируемое устройство построено на основе недорогих деталей, однако эффективность устройства высока, т.е. устройство является экономически эффективным.

Проектируемое устройство соответствует всем нормативно-техническим документам.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Назначение изделия

Генератор тональных импульсов предназначен для формирования звуковых импульсов с заданными характеристиками.

Основная область применения – измерение динамических характеристик измерителей и авторегуляторов уровня, а также устройств шумоподавления. Проверка линейности частотной характеристики и точности показаний измерителей уровня.

1.2 Состав изделия

В состав изделия входит четыре микросхемы различного назначения, трансформатор, диодный мост, конденсаторы, резисторы (в том числе и подстроечные), диоды, кнопки и переключатели.

1.3 Технические требования

Условия эксплуатации:

Температура окружающего воздуха, С	-5...+40
Относительная влажность воздуха, %	85
Атмосферное давление, кПа	100
Напряжение питания, В	~220
Длительность импульса, мс	3 – 200
Тип сигнала	Аналоговый

ГТИ допускает транспортирование всеми видами транспорта.

Является помехозащищенным, внутренняя компоновка обеспечивает помехоустойчивость.

Электрические параметры не должны выходить за допустимые пределы.

Хранение устройства должно осуществляться при условиях подпадающих под условия эксплуатации.

1.4 Требования надежности

Интенсивность отказов:

микросхемы	0.126∙10-5
сопротивления (подстроечные)	10∙10-5
сопротивления (постоянные)	100∙10-5
конденсаторы	20∙10-5
диоды	10∙10-5
трансформатор	20∙10-5
Наработка прибора на отказ, ч	7000

Устройство комплектуется стандартными изделиями.

1.5 Конструктивные требования

Конструкция является модульной. Элементная база – интегральная и дискретная. Монтаж – печатный и объемный. Устройство эргономично и компактно. Органы управления функционально удобны. Габаритные размеры будут определены в процессе проектирования. Требования к массе отсутствуют.

1.6 Ориентировочная номенклатура конструкторской документации

• схема электрическая принципиальная – А2;

• сборочный чертеж устройства – А2;

• сборочный чертеж печатной платы – А2;

• таблица соединений – А4;

• печатная плата – А1.

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

В ходе проведения литературного поиска, не было найдено аналогов разрабатываемого устройства. Область применения существующих серийных тональных генераторов ограничивается обслуживанием абонентских телефонных и локальных компьютерных сетей. Генераторы тональных импульсов для испытаний акустической аппаратуры в серийном производстве отсутствуют.

Разрабатываемое устройство состоит из следующих модулей:

1. Источник питания, собранный на трансформаторе Т1, диодном мосте VD1 и стабилизаторах DA2, DA3;

2. Генератор тональных импульсов (A2);

3. Блок управления (A2).

Для формирования тональных импульсов используется электронный переключатель DA4. На выводах 16 и 4 значение напряжения сигнала изменяется от нормированного значения до нуля, а на выводах 6, 9 перепад уровня при налаживании устанавливают переменным резистором R15. Выбор режима производят тумблером SA9.

Тональный сигнал заполнения импульсов приходит с генератора на электронный переключатель через буферный ОУ DA1.1. Второй ОУ DA1.2 используется в качестве компаратора, выдавая сигнал синхронизации начала импульса при переходе сигнала заполнения через «нуль». Импульсы с компаратора подаются на тактовый вход D-триггера DD2. на вход D (вывод 9) приходит импульс с одновибратора, собранного на втором триггере DD2.

Проведем анализ элементной базы проектируемого устройства.

Микросхемы

HI5046 – аналоговый переключатель, 16 выводов

Диапазон аналогового сигнала, В
Потребляемый ток, мА	80
Время включения, нс	370
Время выключения	280
Тип корпуса	238.16-2

К1401УД4 – Счетверенный ОУ, 14 выводов

Напряжение питания, В
Потребляемый ток, мА	1
Коэффициент усиления, дБ	100
Потребляемая мощность, мВт	27
Тип корпуса	201.14-1

К561ЛН2 – 6 логических элементов НЕ, 14 выводов

Напряжение питания, В
Потребляемый ток, мкА	5
Время задержки 1-0, нс	640
Время задержки 0-1, нс	900
Тип корпуса	201.14-1

mA7815 – стабилизатор напряжения, 3 вывода

Входное напряжение, В
Выходное напряжение, В	14.4-15.6
Статический ток, мА	8
Максимальный выходной ток,А	1
Тип корпуса	ТО220

К561ТМ2 – Два D-триггера со сбросом и предустановкой, 14 выводов

Напряжение питания, В	5-10
Выходной ток не более, мА	0.5
Нагрузочная способность в статическом режиме не более	50
Ток потребления не более, мкА	3
Тип корпуса	201.14-1

Р1-72-0.125 – Полупрецизионный резистор всеклиматического изолированного и неизолированного вариантов исполнения, предназначен для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

СП3-39 – подстроечный одинарный многооборотный резистор с круговым перемещением подвижной системы, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Температурный режим (предельный) от -60 до +155⁰С.

СП3-9 – это композиционный переменный резистор характеризуется очень высокой надежностью, высокой стабильностью параметров, пониженным уровнем собственных шумов. Характер изменения сопротивления – линейный. Температурный режим от -60 до +100⁰С.

К50-29 – конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые уплотненные неизолированные полярные конденсаторы постоянной емкости, предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока и в импульсных режимах. Изготавливаются во всеклиматическом исполнении и исполнении для умеренного и холодного климата.

К50-35 – алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор, полярный, с однонаправленными выводами, диапазон рабочих температур от –45°С до +85°С, тангенс угла потерь 10...30%, (50 Гц), допускаемое отклонение емкости –20/+50%, минимальная наработка 1000 час, минимальный срок сохраняемости 10 лет, вид приемки «1», исполнение УХЛ, В.

КЦ407А – диодный мост

Максимальное импульсное обратное напряжение, В	400
Максимальный выпрямленный за полупериод ток, А	0.5
Рабочая частота, кГц	20
Максимальное время обратного восстановления, мкс	5000
Тип корпуса	kbu39

КС156А – стабилитрон

максимально допустимая рассеиваемая мощность стабилизации, мВт	300
температура окружающей среды, 0С	– 55… + 100

КД503А - диод

Напряжение обратное, В	30
Максимальный прямой ток, А	0.05
Максимальный обратный ток, мкА	10
Рабочая частота, кГц	350000

АЛ307БМ – светодиод

Напряжение обратное, В	30
Цвет свечения	Красный
Постоянное прямое напряжение, В	2
Максимальный постоянный прямой ток, мА	20
Сила света не менее, мкд	0.9

Кнопки КМА-1

Рабочее напряжение, В	30
Сопротивление, Ом	0.05
Сила тока, А	3
Мощность коммутации, Вт	70
Стойкость, тыс. включений	10

П1Т-1-1, П2Т-1-1 – тумблеры

коммутируемый ток, А	1∙10-4 – 5
Коммутируемое напряжение, В	0.05-220

П2Г3-6П2Н – переключатель галетный высокочастотный роторного типа закрытого исполнения

Рабочее напряжение, В	30-220
Сопротивление, Ом	0.02
Сила тока, А	0.05-2
Мощность коммутации, Вт	60
Стойкость, тыс. циклов	5

Трансформатор ТВЛ-10

На корпусе устанавливаются кнопки КМА-1, тумблеры П1Т-1-1 и П2Т-1-1, подстроечный резистор СП3-9, галетный переключатель П2Г3-6П2Н и светодиоды АЛ307БМ остальные, из перечисленных выше элементов, устанавливаются на печатной плате. Предельные отклонения размеров между осями двух любых монтажных отверстий 0,1мм; для автоматизированных процессов сборки 0,05мм. Наиболее критичными элементами согласно тепловому режиму и электромагнитной совместимости являются микросхемы и конденсаторы. Остальные элементы менее зависимы.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МНОГОКОМАНДНОЙ СИСТЕМЫ ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ. ШИФРАТОР

3.1 Выбор предварительного варианта компоновки

Рассмотрим на данном этапе два варианта компоновки проектируемого устройства (рис. 1 а, б), где 1 – печатная плата; 2 – панель управления; 3 – трансформатор; 4 – разъем питания; 5 – корпус.

Разница в компоновке дает обеим конструкциям свои положительные и отрицательные стороны, которые будут определены в ходе дальнейших расчетов в разделе 4.2.

3.2 Выбор типа электрического монтажа

В разрабатываемой конструкции используется два типа монтажа: печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально законченный узел – печатную плату. Объемный монтаж применяется для соединения печатной платы и органов управления.

3.3 Выбор способов защиты устройства от дестабилизирующих факторов

Для защиты устройства от электрических помех корпус должен быть экранирован. Теплозащита должна обеспечивать хорошую и эффективную защиту устройства в различных климатических условиях. Конструкция корпуса должна иметь в себе возможность вентиляции. Устойчивость к вибрации не требуется.

3.4 Выбор способов обеспечения нормального теплового режима устройства

В ходе дальнейших расчетов будет определена необходимость использования дополнительных средств охлаждения и вентиляции. Однако можно говорить о том, что в устройстве присутствуют элементы склонные к неадекватной работе в экстремальных климатических условиях (конденсаторы и микросхемы).

3.5 Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности конструкции устройства

Требования стандартизации обеспечиваются применением стандартных изделий и изделий, изготовленных по ГОСТ. Тем же обеспечиваются требования унификации. Технологичность конструкции обеспечивается применением новейших материалов и элементов.

3.6 Описание выбранного варианта компоновки устройства

Корпус блока шифратора выполнен в форме параллелепипеда. Габаритные размеры 100х110х66 мм. Он состоит из кожуха и нижней крышки. Кожух имеет вид прямоугольного параллелепипеда без дна. На нижнюю крышку крепится печатная плата, устанавливаемая на стойках. Кнопки, разъемы, тумблеры, переключатели, светодиоды и резисторы устанавливаются передней панели.

Удобство ремонта обеспечивается простотой доступа к печатной плате, которая остается на столе или иной поверхности при удалении корпуса.

3.7 Разработка основных элементов и узлов конструкции устройства

3.7.1 Выбор элементов несущей конструкции, элементов крепления и фиксации. Корпус устройства изготовлен из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ6-65-406-80 методом литья под давлением. Выбранный материал обладает повышенной механической прочностью и невысокими электроизоляционными свойствами, рекомендуется для изделий технического назначения средней и ударной прочности.

Корпус состоит из двух частей: кожуха и нижней. Толщина стенок основания 3 мм, крышки - 4 мм. Кожух и нижняя крышка устройства соединяются с помощью шурупов с потайной головкой диаметром 3 мм ГОСТ 1145-80, которые ввинчиваются в специальные отверстия в кожухе. Кожух выполнено в виде параллелепипеда.

Печатная плата крепится к литым выступам в крышке, шурупами с полукруглой головкой диаметром 2 мм ГОСТ 1144-80.

3.7.2 Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС61 ГОСТ 21931-76, флюс ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200.

Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатной платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для объемного монтажа применяют провод МПО-0,35 ТУ 16-505 339-79 с полихлорвиниловой изоляцией. Жгут вязать капроновой крученой нитью 3К ОСТ 17-330-84. Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой 305ТВ-40-1 ГОСТ 19064-82 длиной 15 мм. Номера проводов маркируются на полихлорвиниловых трубках краской ТНПФ-01.

Для защиты от атмосферных воздействий печатные платы покрываются бесцветным лаком УР-231.

3.7.3 Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблице 1.

Таблица 1 – Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Покрытие лакокрасочное
Основание	полистирол УПМ-0612Л
Нижняя крышка	полистирол УПМ-0612Л
Печатная плата	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5	Лак УР-231 бесцветный

3.7.4 Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц. На печатной плате маркировка элементов электрической схемы осуществляется травлением. На лицевую панель надписи наносятся краской ТНПФ-0,1.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЁТЫ

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Рассмотрим два варианта компоновки блока (рис. 1 а, б). Блоки отличаются тремя такими параметрами, как: приведенная площадь, коэффициент приведенных площадей и коэффициент заполнения объема. Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) блоков рассматриваемых двух вариантов компоновки. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры.

Для определения объема печатной платы найдем ее размеры, для этого воспользуемся таблицей 2.

Таблица 2 - Основные конструктивные параметры элементной базы

Элемент	Ширина (мм)	Длина (мм)	Количество (шт)	Площадь (мм2)	Высота (мм)
Микросхемы
HI5046	7,5	21,5	1	161,25	5
К1401УД4	7,5	19,5	1	146,25	5,5
К561ЛН2	7,5	19,5	1	146,25	5,5
К561ТМ2	7,5	19,5	1	146,25	5,5
mA7815	4	13	2	104	18
Резисторы
Р1-72-0.125	1,8	3,3	21	124,74	1,8
СП3-9	17,5	17,5	5	1531,25	5,4
Конденсаторы
К50-29	6	22	15	1980	6
К50-35	14	14	2	392	24
Диодный мост
КЦ407А	7	7,5	1	52,5	3,5
Диоды
КС156А	3	7,5	1	22,5	3
КД503А	3	7,5	1	22,5	3
Трансформатор
ТВЛ	22	24	1	528	17

Определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате:

(1)

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0.6, получим значение площади

, (2)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон печатной платы (80120, 90100, 60160) и был выбран следующий: 90100 мм по ГОСТ10317-79.

Для определения объемов печатных плат необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ. Для разрабатываемой печатной платы она равна h=24 мм. Тогда:

Рассчитаем параметры органов управления. Данные сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Основные конструктивные параметры блока управления

Элемент	Ширина (мм)	Длина(мм)	Количество (шт)	Площадь (мм2)	Высота
Сопротивление
СП3-39	16	14.5	1	232	16
Кнопки
КМА-1	10.5	24.6	1	258,3	20.5
Тумблеры
П1Т-1-1	11,3	22	7	1740,2	30
Переключатель галетный
П2Г3-6П2Н	30	30	1	900	56,5
Гнезда
ЗМП	4	4	8	128	16
Светодиоды
АЛ307БМ	5	5	2	50	7

Таким образом, объем занимаемый органами управления:

Объем разъема: мм³.

Рассмотрим первый вариант компоновки (рис. 1а).

Ширина устройства для первого варианта компоновки определяется длиной печатной платы либо шириной органов управления: 100 мм либо мм (верхний ряд), мм (нижний ряд).

Для простоты установки, наладки и ремонта устройств возьмем 110 мм.

Длина устройства определяется только шириной печатной платы, примем длину равной 100 мм.

Высота устройства определяется высотой печатной платы либо суммарной высотой органов управления, примем с запасом: 30+16+20=66 мм.

Таким образом объем устройства в первом случае составляет:

мм³ .

Определим приведенную площадь для первого варианта компоновки.

Площадь внешней поверхности устройства составляет:

мм².

Определим коэффициент заполнения объема для первого варианта компоновки:

Определим объем, занимаемый деталями мм³.

Рассмотрим второй вариант компоновки (рис. 1б).

Ширина устройства в данном случае определяется только длиной печатной платы, примем ее равной 110 мм.

Длина устройства определяется суммой высоты печатной платы и самого высокого органа управления, возьмем с запасом мм.

Высота устройства будет определяться шириной печатной платы, примем с запасом 100 мм.

Таким образом объем устройства во втором случае будет:

мм³.

Определим приведенную площадь для второго варианта компоновки.

Площадь внешней поверхности устройства составляет:

мм².

.

Определим коэффициент заполнения объема для первого варианта компоновки:

.

Таким образом, коэффициент заполнения объема для первого варианта больше.

По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран первый вариант компоновки (рис. 1а), так как его объем используется наиболее эффективно, однако эргономические характеристики выше у второго варианта. Низкий показатель заполнения объема характеризуется высоким запасом блока по теплоотводу.