Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ Ведение
Темой данногодипломного проекта является проектирование «частотомера цифрового на PICконтроллере». При работе на любительской радиостанцииперед радиолюбителем часто встает необходимость точно знать частоту, на которуюнастроен его трансивер или приемник для того, чтобы не уйти за пределыдиапазона или для точной настройки на заранее оговоренную частоту. Механическиешкалы не дают такой возможности, поэтому приходится конструировать электронныешкалы. В настоящее время разработано большое количество электронных шкал ичастотомеров, при разработке которых используются микросхемы разной степениинтеграции. Зачастую это сложные устройства, насчитывающие несколько десятковмикросхем. Эти конструкции довольно сложны для повторения из-за того, что в сложнойсхеме гораздо выше возможность допустить ошибку на всех этапах – от публикациидо монтажа.
Принципиальную схемучастотомера можно предельно упростить, если построить ее на базе процессораPIC16F84 фирмы «Microchip». Этот процессор обладает высоким быстродействием,широкими функциональными возможностями. Встроенное энергонезависимоезапоминающее устройство позволяет записывать и оперативно изменять величинупромежуточной частоты цифровой шкалы.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ 1 Расчетно-конструкторская часть
1.1 Основныехарактеристики и область применения
Устройствопредназначено для измерения частоты электрического сигнала.
Техническиехарактеристики частотомера цифрового:
Электрические:
— напряжениепитания, В 5±0,1;
— напряжениевходного сигнала, мВ 100-700;
— погрешностьизмерений, Гц 10/1/0,1;
— максимальнаяизмеряемая частота, МГц 30;
— потребляемый ток, мА 100;
Эксплуатационные:
лабораторныеусловия
— температураокружающей среды, Сº +25;
— относительнаявлажность воздуха, % 60;
— размещение стационарное;
Конструктивныеособенности:
— радиоэлектроннаяячейка
— габариты не менее,мм 40
— монтаж печатный;
-закрепление жёсткое;
Область применения:
Частотомер цифровойприменяется в радиоизмерительных лабораториях в составе лабораторных стендов.
1.2Критерии выбора микроконтроллера.
Основныекритерии выбора микроконтроллера представлены ниже в порядке значимости:
Пригодностьдля прикладной системы. Может ли она быть сделана на однокристальноммикроконтроллере или ее можно реализовать на основе какой либоспециализированной микросхемы?
— Имеетли микроконтроллер требуемое число контактов/портов ввода/ вывода, т.к. вслучае их недостатка он не сможет выполнить работу, а в случае избытка ценабудет слишком высокой?
— Имеетли он все требуемые периферийные устройства, такие как последовательные портыввода/вывода, RAM, ROM, EEPROM.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ — Имеет ли он другие периферийные устройства, которыене потребуются в системе?
— Обеспечиваетли ядро процессора необходимую производительность, т.е. вычислительнуюмощность, позволяющую обрабатывать системные запросы в течение всей жизнисистемы на выбранном прикладном языке.
Доступность.
— Существуетли устройство в достаточных количествах?
— Производитсяли оно сейчас?
— Чтоожидается в будущем?
— Надежностьфирмы производителя.
Реализоватьчастотомер цифровой на основе ИМС не возможно, поэтому применяетсяпрограммируемый микроконтроллер.
Даннымкритериям лучше всего соответствует микроконтроллер PIC16F84A-201/Pв корпусе DIP18, для навесного монтажа. По сравнению саналогичными микроконтроллерами, PIC16F84A-201/Pимеет наивысшую тактовую частоту в 30Мгц, память в1024бит и 8ми разрядный процессор. Т.к. программный ресурс по быстродействиюперекрывает скорость любого PICконтроллера,верхняя граница измеряемых частот определяется только быстродействиемприменяемого микроконтроллера. Стоимость меньше чем у аналогичных микроконтроллеровв керамических корпусах и корпусах для поверхностного монтажа, дефицитным неявляется. Фирма-производитель «MicroChip»хорошо себя зарекомендовала на рынке, имеет хорошую репутацию, поддержкуклиентов и постоянно обновляет ассортимент.
1.3 Описаниеэлектрической принципиальной схемы и принцип работы.
Принципиальнаясхема прибора показана на чертеже РГКРИПТ.21030601.4206.003Э3. Прибор позволяетизмерить частоту сигнала в интервале 10Гц…30МГц. Чувствительность прибора составляет 100…200мВ. Время измерения0,1/1/10с.Напряжение питания прибора +5В. Потребляемый ток зависит от количествавключенных сегментов и не превышает 130мА.
Принципиальнаясхема частотомера построена по классической схеме: поступающие на вход импульсыпопадают на входной формирователь, выполненный на транзисторах VT1-VT3, которыйпревращает сигнал любой формы и амплитуды в последовательность нормированных поамплитуде импульсов с крутыми фронтами. Сформированные импульсы, поступают навход PICконтроллера(2,3 DD1), где происходит подсчет количества импульсов заизвестный период (0,1/1/10мкс.).Число импульсов преобразуются в двоичный код и по интерфейсу (RB4-RB7) поступаютна ЖКИ индикатор, где преобразуются в двоично-десятичный код и высвечиваются на табло
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ индикатора.
Входнойформирователь имеет полосу пропускания 10Гц…100МГц. Нижнюю границу длясинусоидального сигнала определяет емкость конденсаторов С1 и С2. Первый каскадвыполнен по схеме стокового повторителя, что позволяет значительно увеличитьвходное сопротивление прибора (более 1МОм). Диоды VD1 и VD2 защищают транзистор VT1 от выхода из строя при подаче на вход высокогонапряжения (ограничение на амплитуде Uвх=0.7В).На транзисторах VT2 и VT3 выполнен формирователь импульсов. Резистором R7 регулируется крутизна фронтов импульсов, добиваясьвысокой чувствительности на высоких частотах.
Вчастотомере предусмотрена возможность программной калибровки, что позволяетиспользовать любые кварцевые резонаторы в диапазоне 1…20МГц. Однако оптимальнымявляется значение около 4Мгц. На меньшей частоте снижается быстродействие PICконтроллера,а повышение тактовой частоты увеличивает потребляемый микроконтроллером ток, недавая особых преимуществ. Следует учитывать, что в этой схеме кварцвозбуждается на частоте параллельного резонанса, а на отечественных резонаторахобычно указывается частота последовательного резонанса, которая можетотличаться на несколько килогерц.
Послесборки частотомера необходимо откалибровать частоту кварца. Калибровка выполняетсяс помощью подбора С9 и С10. Удобнее заменить конденсатор С10 на малогабаритныйпостроечный конденсатор (до 22пФ).
Определитьистинную частоту генерации кварцевого резонатора можно подключив образцовыйчастотомер к точке XN1, при этом движок подстроечногоС10 должен быть в среднем положении. Измеренное значение округляется доближайшего кратного 40Гц, например, 4000000,4000040, 4000080 Гц и т.д.
Послекалибровки следует подключить данный прибор и образцовый частотомер кгенератору сигналов частотой 20…30МГц иамплитудой 0,2…0,5В. Окончательноточного соответствия показаний частоты добиваются подстройкой С10. Если естьжелание уменьшить зависимость резонансной частоты кварца от температуры, томожно ввести термостатирование кварца. Однако в этом особой нужды нет, т.к.команды PICформированияизмерительного интервала времени программно хорошо отработаны. Величины всехизмерительных интервалов времени отстроены «по нулям» (100000м.ц., 1000000м.ц., 10000000м.ц. примечание: м.ц.-машинный цикл).
Особоследует остановиться на работе ЖКИ, выполненного на основе микроконтроллера HD44780 фирмы «Hitachi».Индикатор имеет две строки по 16 символов в каждой. Принципиальная схемавключения ЖКИ- модуля приведена на рисунке 1.1.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ
Рис.1.1. схема ЖК-индикатора.
Кдостоинствам данного модуля отображения следует отнести наличие встроенной вм/к оперативной памяти данных и высокую скорость заполнения знакомест символамине вызывает утомляемости глаз ввиду отсутствия мерцания разрядов, особенно этосказывается при динамической индикации.
Назначениевыводов и условия выполнения команд записи и чтения приведены на рисунке 1.2:
Рис. 1.2. Назначения выводов ЖК индикатора.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ Триггер имеет энергонезависимую память настроек, чтообеспечивает начало работы прибора (после включения питания) в том режиме, в которомпроисходила работа на момент предшествующий выключению питания.
Приработе в режиме цифровой шкалы (ЦШ) при помощи КН1 – выполняется переход вподрежим –ПЧ (вычитание из результата измерения значения промежуточной частоты)или +ПЧ нажатием КН2 (суммирование результата измерений и значенияпромежуточной частоты), либо одновременным нажатием КН1 и КН2 переход вподрежим установки значения ПЧ пользователем – записывается промежуточнаячастота (по умолчанию ПЧ=10,7МГц). При этом показания индикатора определяютсяформулой:
(1.1)
Послеотпускания кнопок значения фиксируются в памяти микроконтроллера.
Программадля прошивки микроконтроллера на языке ассемблер приведена в приложении А.
1.4 Выбор и обоснование конструкции изделия
1.4.1 Конструктивно-технологические требования
При разработке конструкции изделия полностью удовлетворяющей поставленнымтребованиям, согласно технического задания учитываются:
1 — функциональное назначение изделия;
2 — объект установки изделия РЭА;
3- условия эксплуатации и эксплуатационные требования;
4 — производственно-технологические требования;
5 — экономические показатели;
6 — надежность;
7 — преимущества и недостатки конструкции РЭА.
С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификацияпо функциональному назначению, применению и объекту установки.
Различают три класса РЭА по объекту установки:бортовая; морская; наземная.
В каждом классе различают специализированные группы в зависимости отобъекта установки. Конструкция РЭА различного назначения, устанавливаемой наразличные объекты, имеет особенности, вытекающие из специфики назначений и условийэксплуатации.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ При конструировании радиоаппаратуры пользуютсяклассификацией, приведенной в таблице 1.
Таблица 1.1
Класс РЭА
Группа аппаратуры
1
2
Бортовая
Самолетная (вертолетная); Ракетная; Космическая.
Морская
Судовая (корабельная); Буйковая
Наземная
Возимая; Носимая; Переносная; Бытовая; Стационарная.
Краткаяхарактеристика требований кконструированию 3х классов РЭА:
Бортовая РЭА — это аппаратура, устанавливаемая на летательных объектах.
Основнымизадачами при конструировании такой РЭА следует считать:
-уменьшение массы, габаритов;
-необходимость работы РЭА в условиях пониженногоатмосферного давления;
-необходимость защиты РЭА от сложных механическихвоздействий (вибрационных и ударных нагрузок).
МорскаяРЭА — характеризуется следующими условиями:
-морская среда требует разработки аппаратуры втропическом исполнении;
-коррозийная стойкость;
-плесенестойкость;
-влагозащищенность;
-брызгозащищенность;
-ударные перегрузки;
-линейные ускорения.
Ударныеперегрузки характерны для любой морской РЭА и возникают при ударах волн, алинейные перегрузки возникают при качке.
НаземнаяРЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей конструирования наземной РЭАявляется защита от вибраций и ударов, от пыли в условиях нормального атмосферногодавления.
Внешниефакторы, влияющие на работоспособность аппаратуры, можно классифицировать на 2вида:
-климатическиевоздействия;
-механические воздействия.
Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают снормальными условиями эксплуатации.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ Под нормальными условиями эксплуатации понимаютусловия работы в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухепаров, газов, солей, кислот и микроорганизмов при температуре (25 ± 5°)С, относительнойвлажностью (65 + 15)%, атмосферном давлении (8,36… 10,6) 104Па (630...800 мм.рт.ст.), при отсутствии механических воздействий.
Вывод: Врезультате выбора и обоснования конструкции принимаем условия эксплуатации для цифрового частотомеранормальные.
Приконструировании цифрового частотомера руководствовался следующими требованиями:
— Вконструкции максимально использованы стандартизованные и нормализованныеэлементы, детали. Выполнение этого требования дает экономический эффект, таккак не тратятся средства на разработку конструкции изделий, проектированиятехпроцесса и изготовления, специальной оснастки и оборудования. Что позволилосократить сроки подготовки производства изделий РЭА. Эти изделияизготавливаются специализированной промышленностью, где производство изделийРЭА отлажено, механизировано и экономически выгодно.
1.4.2 Описание конструкции частотомера цифрового
В основу разработки современнойРЭА положен модульный принцип конструирования,основывающийся на функционально-узловом методе проектирования.
В дипломномпроекте разрабатывается конструкция первого уровня.
Технологичной следует считать конструкцию,удовлетворяющую с заданной надежностью технологическим и эксплуатационнымтребованиям при выбранном типе производства, изготавливаемую с применениемпрогрессивных технологических процессов,обеспечивающую наименьшие затраты на поиск неисправностейи ремонт при обслуживании.
Технологичность конструкции можно оценивать количественно и качественно. Качественная оценка в процессепроектирования предшествует количественной.
При анализе конструкции рассматриваем требования ктехнологичности сборочных единиц и деталей.
Технологичностьдетали оценивается следующими требованиями:
- конструкция детали должнасостоять из стандартных конструктивных элементов;
- собираться из стандартных илиунифицированных заготовок;
- размеры и поверхность детали должны иметь оптимальнуюпрочность и шероховатость;
- конструкция детали должна обеспечить возможностьприменения типовых и стандартныхтехнологических процессов изготовления;
- деталь должна стремиться к простойформе.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ Мое изделие «частотомер цифровой»выполнено по электрической принципиальной схеме, имеет функциональную законченность.
Компоновка выполнена из стандартных комплектующих ЭРИпромышленного изготовления, установленных наосновании платы печатной.
Проанализировав техническое задание и учитывая условия эксплуатации изделия нормальные, а так жедопускаемые значения воздействующих факторов по 4 группам жесткости всоответствии с ГОСТ 23752-79«Платы печатные. ОТУ», устанавливаем — плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79 группа жесткости 1.
Обеспечить простоту сборки и уменьшить массогабариты конструкции, использовать возможность автоматизации и механизациив производстве при сборке и монтаже, нам поможет выбор печатного монтажа.
При печатном монтажеэлектрические соединения элементов электрического модуля выполнены с помощьюпечатных проводников. Печатный монтаж являетсягрупповым монтажом, что позволяет получить все соединения (электрические) заодин технологический цикл, обеспечивая технологичность конструкции. Поэтому мывыбираем основным элементом конструкции деталь: плата печатная.
Применение печатной платы позволяет получитьзначительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризацииконструкции. Печатнаяплата гарантирует стабильную повторяемость электрических параметров от образца к образцу, отсутствиемонтажных ошибок, высокую идентичность электрических и конструктивныхпараметров, повышает надежность и качество аппаратуры, уменьшает трудоемкость и себестоимость изделия, повышаетпроизводительность труда за счетиспользования механизированного и авторизированного оборудования при ееизготовлении по типовым технологическим процессам. Таким образом,технологичность конструкции обеспечивается.
Используя государственные и отраслевые стандартыГОСТ 29137-91 «Формовка выводов иустановка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования», выполняем компоновку одним из выбранных методом. Выбираемгабаритные размеры ЭРИ, установочные и присоединительные, определяем вариантыустановки на плату. Производим электрическое соединение ЭРИ печатнымипроводниками, условно изображая и ввиде линий. Трассировку соединений на ПП выполняем в соответствии с требованиями ГОСТ 2.417-91 «Платы печатные. Правила оформления чертежей».Выбираем габаритные размеры и конфигурацию платы печатной, учитывая требования ГОСТ 10317-79«Платы печатные. Основные размеры».
В результате компоновки получена печатная платапростой прямоугольной формы, минимальными для нашей схемы габаритными размерами(90 х 40), размеры сторон кратны 2,5 исоотношение сторон близки 2:1.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ Выбираем толщину платы с учетомнагрузки по ГОСТ 23751- 86, она равна 1,5 мм. Выбираем материал для печатной платы поГОСТ 10316-78 «Гетинакс истеклотекстолит фольгированные. ТУ».
Приповышенной влажности и тепловых воздействиях целесообразно использовать недорогой, но обладающий хорошими эксплуатационными характеристиками стеклотекстолит фольгированный СФ-1(2)-35-1,5.
Эти материалы стандартизированы, имеютпромышленный выпуск и гарантию качества,они недефицитны, недороги, имеют удовлетворительную обрабатываемость. Их применение повышают технологичность конструкции.
По конструктивным особенностям печатные платы с жесткимоснованием делятсяна типы односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП). Выполняя компоновку,необходимо стремиться разместить проводники так, чтобы получить ОПП.
При разработке изделия я применил одностороннююпечатную плату. Односторонние печатные платы имеют низкую стоимость, высокую надежность, компоненты устанавливаются на стороне платы,свободной от монтажа и корпуса ЭРИ нетребуют дополнительной изоляции от платы (зазора или детали — прокладка),точность выполнения рисунка высокая, не требуется металлизация отверстий, и мыможем использовать химический метод изготовления ПП.
Определяем класс точности печатной платы. По точностивыполнения элементов проводящего рисунка печатные платы делятся на 5 классовГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции». Выбираемкласс точности 3, являющейся характерным для печатных плат с микросхемами.Плата средней насыщенности. Имеются узкиеместа. Печатные платы 3 класса точности сравнительно просты визготовлении, надежны в эксплуатации, имеют невысокую стоимость.
В случае использованияпроектируемого изделия в условиях повышенной влажности,для защиты внешних паяныхсоединений от коррозии применяем лак ЗП-730В2.4, бесцветный, ГОСТ20824-81. Это покрытие обладает высокой стойкостью к атмосферным воздействиям.
Габаритныйразмер печатного узла 90х40х15 мм.
Вывод: конструкция «частотомера цифрового»является технологичной, так как отвечает следующим требованиям:
- проста и целесообразна;
- имеет прямое функциональное назначение;
- удовлетворяет требованиям миниатюризации;
- класс точности3 (ГОСТ 23751-86), то естьточность изготовления средняя, возможноиспользование для получения ПП стандартного оборудования;
- в модуле максимальноиспользованы нормализованные и стандартизованные изделия (ЭРИ);
-
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
РГКРИПТ. 21030601.4206.000 ПЗ материал платы: фольгированный стеклотекстолитнедорогой и недефицитный, выпускаемый промышленно, имеет удовлетворительнуюобрабатываемость;
- применение печатного монтажаувеличивает надежность конструкции; обеспечивает возможность серийногоизготовления; применения механизированныхи автоматизированных процессов производства,использования типовых ТП;
-