Разработка модуля питания и обработки сигнала гироскопа - Дипломная работа

В настоящем дипломном проекте разработан модуль питания и обработки сигналов гироскопа. Актуальность темы обусловлена возможностью реализации сверхпрецизионного обработчика сигнала гироскопа для СУО нового поколения в танках Т-72 или любой другой техники, где требуется высокая точность измерений . В первом разделе рассмотрено техническое задание разрабатываемого устройства, разработана структурная схема устройства. Во втором разделе рассмотрены вопросы разработки схем электрических принципиальных, и приводятся расчеты элементов схемы. В пятом разделе произведен расчет технико-экономических затрат, связанных с проектированием и изготовлением разрабатываемого изделия.Разрабатываемое устройство предназначено для формирования напряжений питания гироскопа, АЦП и активного фильтра, входящих в модуль гироскопа, а также оцифровки аналоговых сигналов гироскопа, и передачу этой информации процессорному модулю. Модуль гироскопа (МГ) предназначен формирования напряжений питания гироскопа, приема и обработки сигналов гироскопа, входящего в состав изделия прибора панорамного наблюдения командира (ППНК). Модуль гироскопа должен формировать напряжение питания гироскопа; Выходные сигналы модуля гироскопа, передаваемые на модуль процессорный изделия ППНК: цифровые сигналы UBH, UГН, несущие информацию об угловых скоростях, сигналы готовности гироскопа «Готов гиро. Выходной аналоговый дифференциальный сигнал гироскопа поступает на дифференциальный фильтр нижних частот с частотой среза 50 Гц, который фильтрует шумы перед АЦП, фильтрует сигнал вне полосы пропускания и выступает в качестве антиалиасингового фильтра.Для того, что бы перейти к оцифровке сигнала гироскопа, сначала нужно: определить его диапазон угловых скоростей, зависимость между угловыми скоростями и напряжением, частотный диапазон выходных сигналов гироскопа, вычислить уровень шумов по напряжению в полосе частотного диапазона, вычислить уровень шумов по напряжению в полосе до 50 Гц и определить динамический диапазон выходных сигналов. Диапазон угловых скоростей - это характеристика гироскопа, которая не зависит от внешних факторов, определяется изготовителем и описана в техническом описании. Предел диапазона измерений INL-CVG-G200 по осям 1 или 2, составляет [2]: |?1| ? 95°/с; |?2| ? 95°/с. Модель погрешности выходных данных для каждой оси INL-CVG-G200 выглядит следующим образом: U1=МК1?(K01 ?1 ?1 ?1t); (2.1) U2=МК2?(K02 ?2 ?2 ?2t). В таблице 1 показаны параметры модели погрешности.Для предотвращения наложения спектров, сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр нижних частот (ФНЧ) для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Однако даже с частотой дискретизации, большей удвоенной частоты сигнала, наводки от внешних сигналов, таких как сигналы от линий электропередачи или местных радиостанций а также сигнал гироскопа на частоте 500 Гц, содержат частоты выше частоты кодируемого сигнала. В дифференциальных усилителях и схемах смешанных сигналов, например АЦП, есть возможность ослабить синфазную составляющую сигнала и шумы, что является важным преимуществом по сравнению со схемами с асимметричными входами/выходами. Это сделано по нескольким соображение: во первых, КУ больше единицы будет усиливать вместе с сигналом также и его шумы, что будет сказываться в итоге на выходном цифровом сигнале, во вторых, сигнал с гироскопа приходит достаточно большой по напряжению, и усиливать его нет необходимости. Изменение сопротивления от температуры будет влиять на коэффициент усиления, и как следствие - коэффициент может стать как больше единицы, что будет дополнительно усиливать сигнал и шумы, так и меньше, что ведет к ослаблению сигнала и как следствие - ухудшению отношения сигнал шум и неразличимости слабого сигнала гироскопа и шумов.(3.6) i?1 n где Si - установочная площадь i-ого элемента, N - количество однотипных элементов, К - коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой определяется по формуле: S1min ? L0 ??(Dmax /2??кп ) ?(tnmax /2??шт)?. Минимальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле: S3min ? L0 ?(tnmax ? 2?шт ); (3.27) S3min ?1?(0,35?2?0,03)= 0,59 (мм). Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне определяется по формуле: S4min ? L0 ??(Dшmax /2??кп) ?тшмах /2 ??шт ?; (3.28) Минимальное расстояние для прокладки проводников между двумя контактными площадками металлизированных отверстий определяется но формуле: 1min ? (1max ? D2max ? 2?кп) ? (tnmax ? 2?шт)nn ? Smin (nn ?1); (3.31)Сборка представляет собой совокупность технологических операций механического и электрического соединения деталей и ЭРЭ в изделии, выполненных в определенной последовательности для обеспечения заданного их расположения и взаимодействия. В нашем случае все навесные элементы устанавливаются на печатную плату, поэтому логично выбрать схему сборки с базовой деталью.

Оглавление

Введение...............................................................................................................6 1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ................................................................................................7 1.1 Анализ технического задания...................................................................7 1.2 Характеристики гироскопа .......................................................................9 1.3 Патентные исследования ........................................................................13

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...............................................................................15 2.1 Разработка схемы электрической принципиальной..............................15 2.1.1 Анализ выходных данных гироскопа............................................15

2.1.2 Частотная характеристика..............................................................17 2.1.3 Расчет шумов гироскопа ................................................................17 2.2 Расчет фильтра.........................................................................................19 2.2.1 Выбор частоты среза ......................................................................19 2.2.2 Выбор типа фильтра.......................................................................21 2.2.3 Выбор топологии фильтра. ............................................................23 2.2.4 Анализ схем фильтров с дифференциальным входом и выходом24 2.2.5 Анализ операционных усилителей для фильтра...........................29 2.2.6 расчет номиналов радиоэлектронных компонентов ФНЧ ...........33 2.2.7 Расчет шумов схемы ФНЧ .............................................................36 2.2.8 Выбор элементной базы ФНЧ........................................................42 2.3 Расчет АЦП..............................................................................................45 2.3.1 Виды АЦП .......................................................................................45 2.3.2 Требования к АЦП...........................................................................50 2.3.3 Описание ADS1255..........................................................................58 2.3.4 Подключение ADS1255 в схему.....................................................61 2.4 Расчет питания схемы.............................................................................66 2.4.1 Расчет источника опорного напряжения ацп..................................66 2.4.2 Расчет напряжения питания гироскопа...........................................68 2.4.3 Расчет напряжения питания АЦП и ОУ..........................................69

3

2.4.4 Расчет схемы согласование сигналов.............................................71 2.5 Расчет конструкции модуля гироскопа..................................................72 2.5.1 Конструктивное исполнение модуля гироскопа............................72 2.5.2 Конструктивное исполнение платы................................................72

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ .....................................................................................74 3.1 Расчет потребляемой мощности.............................................................74 3.2 Тепловой расчет стабилизаторов напряжения.......................................76 3.3 Расчет компоновки блока управления....................................................78 3.4 Расчет собственной частоты колебаний печатного узла блока управления

.............................................................................................................................80 3.5 Расчет параметров электрического соединения элементов печатного монтажа...............................................................................................................82

3.5.1 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия .82 3.5.2 Расчет диаметра контактных площадок.........................................83 3.5.3 Расчет ширины печатных проводников .........................................85 3.5.4 Расчет расстояний между элементами проводящего рисунка ......86 3.5.5 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка ...............................................................................................................87 3.6 Расчет помехозащищенности печатного монтажа ................................89 3.6.1 Расчет паразитной емкости.............................................................89

3.6.2 Расчет паразитной взаимоиндукции и индуктивности..................90 3.6.3 Расчет сопротивления изоляции цепей печатных проводников...90 3.6.4 Расчет величины помехи.................................................................91 3.7 Расчет надежности ..................................................................................93

4 Технологическая часть....................................................................................96 4.1 Анализ технического задания и конструктивно-технологических особенностей изделия........................................................................................96 4.2 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки изготовления

ПП.......................................................................................................................97

4

4.3 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки для сборки модуля...............................................................................................................108

4.4 Оценка технического уровня технологии............................................ 111 5 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ ..............................114

5.1 Общие сведения о разрабатываемом изделии .....................................114 5.2 Конструкторская разработка производства ......................................... 115 5.3 Затраты времени на разработку технического проекта....................... 116 5.4 Определение трудоемкости изготовления изделия............................. 118 5.5 Трудоемкость технической подготовки производства........................ 118 5.6 Расчет затрат на всех стадиях жизненного цикла изделия .................119 5.6.1 Смета затрат на техническую подготовку производства ............119 5.6.2 Расчет себестоимости и цены изделия.........................................119 5.7 Определение затрат у потребителя проектируемого изделия.............121 5.8 Технико-экономические показатели проекта ......................................123

6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ.............................................124 6.1 Анализ опасных и вредных факторов ..................................................124 6.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов ..........125

6.1.2 Сборочно-монтажные работы.......................................................125 6.2 Мероприятия по обеспечению БЖД ....................................................127 6.2.1 Расчет защитного заземления.......................................................127

6.2.2 Оценка условия труда монтажника РЭА по степени тяжести и напряженности трудового процесса................................................................ 130

6.3 Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности. Расчет автоматической системы пожаротушения......................................................137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................ 146 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................147 Приложение А Приложение Б Приложение В Приложение Г

5

Приложение Д Приложение Е

6