Разработка цифрового измерителя сдвига фаз между током и напряжением бортовой сети летательного аппарата

После включения питания микропроцессора и отработки состояния «сброс» производим начальную установкууправляющих регистров микропроцессора.Обнуляем используемые при работе вычислителя переменные:N – число импульсов в пакете;T – время в миллисекундах;φ – угол сдвига фаз входных сигналов с размерностью 0,1о.Инициализируем таймер 0 и запускаем его в режим отсчета времени с переполнением раз в 10 мсек и генерацией запроса на прерывание по переполнению.Инициализируем таймер 2 и запускаем его в режим широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Целью данного действия является получение на выводе OC2Aмикропроцессора последовательности импульсов частотой 400 кГц (в 1000 раз выше частоты измеряемой сети) и скважностью равной единице [Диаграмма 9. Лист 4. Временные диаграммы].Разрешаем работу прерываний:по переполнению таймера 0;по отрицательному фронту сигнала «захват» на входе ICP1 таймера-счетчика 1Запускаем бесконечный цикл. Производим сравнение содержимого переменной Tсо значением 1000 мсек. Если не равно, возвращаемся к началу цикла. Если ДА, выполняем расчет значения угла сдвига фаз исходя из пропорции:, отсюда(3.6), где – количество импульсов в одном цикле измерения; – частота образцового сигнала (400 кГц);–частота бортовой сети летательного аппарата (400 Гц).Подставляем значения в (3.6) и получаем расчетную формулуВыводим полученное значение на индикацию в формате «четыре значащих разряда, из них один после запятой»ХХХ,ХоВозвращаемся к началу цикла.Каждые 10 миллисекунд происходит переполнение таймера 0, синхронизированного сигналом кратным системной частоте, формируется запрос на прерывание. Функция обработки прерывания по таймеру 0 увеличивает значение переменной Т на 10, перезагружает таймер 0 и возвращает управление в основную программу.Алгоритм работы функции обработки прерывания по переполнению таймера 0 представлен на рисунке 3.23.Рис. 3.23. - Алгоритм работы функции обработки прерывания по переполнению таймера 0Шестнадцатибитный таймер-счетчик 1 выполняет функцию подсчета количества импульсов в последовательности [Диаграмма 10. Лист 4. Временные диаграммы]. Каждый импульс, приходящий на вход Т1 процессора инкрементирует содержимое регистра TCNT1 на 1. По спаду уровня сигнала [Диаграмма 7. Лист 4. Временные диаграммы] на входе ICP1 процессора содержимое регистра TCNT1 переписывается в регистр ICR1, устанавливается флаг ICF1 регистра TIFR и генерируется запросна прерывание.Алгоритм работы функции обработки прерывания по отрицательному фронту сигнала «захват» на входе ICP1 таймера-счетчика 1 представлен на рисунке 3.24.Рис. 3.24. - Алгоритм работы функции обработки прерывания по отрицательному фронту сигнала «захват» на входе ICP1 таймера-счетчика 1.Функция обработки прерывания по отрицательному фронту сигнала «захват» на входе ICP1 таймера-счетчика 1 переписывает содержимое регистра захвата ICR1 в переменную N. Регистр TCNT1 обнуляется. Происходит возврат в основную программу4. Разработка конструкции печатной платы и общего вида измерителя4.1. Разработка конструкции печатной платы4.1.1. Расчет размеров платыСуммарная площадь, занимаемая всеми компонентами на поверхности печатной платы модуля преобразователя для тахогенератора, рассчитана по формуле [8]Расчет суммарной площади производится исходя из площади, занимаемой фиксирующими отверстиями, элементами схемы и коэффициента, учитывающего класс точности.Ближайший размер, в соответствии с ОСТ 4.010.020-83, при соотношении сторон, близком к1:2 составляет 100 х 55 мм.Итого, выбираем размер платы 100 х 55 мм.4.1.2. Выбор класса точности и шага координатной сеткиРазрабатываемая ПП с дискретными ЭРИ имеет среднюю насыщенность поверхности ПП навесными изделиями. Принимаем класс точности – третий. Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции приведены в табл. 4.1.Таблица 4.1.Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции для 3 класса точностиНаименованиеУсловное обозначениеНоминал, ммШирина печатного проводникаt0,25Расстояние между краями элементов проводящего рисункаS0,25Гарантийный поясок (расстояние от края отверстия до края контактной площадки данного отверстия)b0,10Отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП0,33Принимаем шаг координатной сетки 1,27 мм4.1.3. Выбор числа слоевСредняя плотность монтажа дает основания выбрать плату с двумя проводящими слоями. 4.1.4. Выбор материала основания и толщины платыДля изготовления основания ПП выбираем материал Стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78. Толщина 1,5 мм, с двусторонним нанесением слоя фольги 35 мкм.4.1.5. Расчет диаметров монтажных отверстийШирина вывода микросхем составляет 0,5 мм. Конденсаторы, резисторы, диоды - круглое сечение выводов диаметром 0,5 мм. Диаметр монтажного отверстия ,где ширина вывода лимитирующего элемента (микросхем). Принимаем – монтажные отверстия без металлизации - диаметр 0,8 мм.Фиксирующие отверстия – диаметр 3,0 мм.4.1.6. Расчет диаметров контактных площадокНаименьший диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле ,где: – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия; – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки; – величина подтравливания металла в отверстии; - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки; - позиционный допуск на смещение осей отверстий; - позиционный допуск на смещение центров контактных площадок.Для третьего класса точности наименьший диаметр контактной площадки монтажного отверстия составляет 1,6 мм. 4.1.7. Расчет ширины печатных проводниковМинимальная ширина проводника сигнальной цепи по допустимому падению напряжения определяется по формуле, где: - запас помехоустойчивости, для современных КМОП микросхемI – максимальный ток в сигнальной цепи, с большим запасом примем равным 10 мА.Минимальная ширина проводника цепей питания определяется по формулеФактически, для наших условий, допустимое падение напряжения на проводниках как сигнальных, так и питающих цепей не является лимитирующим. Принимаем минимальную ширину печатного проводника согласно третьему классу точности 0,25 мм (табл.4.1).4.1.8. Выбор величины зазоров между проводникамиМинимальный зазор между проводниками, определяемый величиной допустимого рабочего напряжения менее 25В для платы из стеклотекстолита СФ составляет 0,1 .. 0,2 мм [2].Минимальный зазор между краями проводников для третьего класса точности 0,25 мм.Принимаем большее значение: минимальный зазор между проводниками 0,25 мм.4.1.9. Расчет емкости между проводниками и индуктивности проводниковВеличину емкости между двумя параллельно расположенными проводниками определяем по формуле [9], где:k– коэффициент, пФ/см, для односторонней платы ;l – длинавзаимного перекрытия проводников (для расчета половина периметра платы). Итого Расчет индуктивности печатного проводника4.1.10. Размещение элементовРазмещение элементов на ПП должно быть рациональным с учетом электрических связей, теплового режима и условий эксплуатации. Размещение должно обеспечивать минимальную длину связей, минимальное число переходов печатных проводников со слоя на слой, минимизацию паразитных связей между элементами, лучшие условия теплоотвода.Результат выполнения работыпо размещению элементов на ПП представлен на рисунке 4.1, 4.2 и чертеже[Лист 6. Чертеж сборочный печатной платы].Рис. 4.1. – Эскиз платы одного канала измерителя в сборе (вид сбоку)Рис. 4.1. – Эскиз платы одного канала измерителя в сборе (вид сбоку)4.1.11. Конструирование элементов проводящего рисунка и трассировка соединенийЗадачей трассировки является нахождение трасс соединений на ПП с учетом ряда критериев: минимальная длина трасс, минимальное число пересечений, минимальные наводки, равномерная плотность размещения трасс на плате.Результат выполнения работыпо трассировке ПП представлен на чертеже [Лист 5. Чертеж печатной платы].4.2. Разработка общего вида измерителяИзмеритель сдвига фаз размещен в пластиковом корпусе прямоугольной формы тира Z1A (рис. 4.1).Рис. 4.1. – Внешний вид корпуса измерителя типа Z1A.Вид корпуса измерителя снизу и эскиз корпуса в раскрытом состоянии изображен на рисунке 4.2.Рис. 4.2. Вид корпуса измерителя снизу и эскиз корпуса в раскрытом состоянии.Габаритные и установочные размеры корпуса измерителя представлены в таблице 4.2.Таблица 4.2.Габаритные и установочные размеры корпуса измерителяВысота, ммРазмеры согласно рис. 4.2, ммАВСDE68176172140150Три идентичные платы каналов измерения сдвига фаз А, B иC закреплены на дне корпуса параллельно друг другу. Информационные жидкокристаллические индикаторы DD5(A), DD5(B), DD5(C) и знаковые светодиодыLED1(A),LED1(B), LED1(C) размещаются в отверстиях на передней панели корпуса.Верхняя крышка и дно корпуса оснащены вентиляционными отверстиями. На нижней крышке шурупами закреплены четыре пластиковые ножки.Передняя и задняя крышки вставлены в пазы верхней и нижней половины корпуса, которые, в свою очередь, скреплены четырьмя шурупами друг с другом.Чертеж общего вида измерителя представлен [Лист 7. Чертеж общего вида измерителя].5. Расчет надежности и погрешности5.1. Расчет надежностиСпособность любого изделия сохранять свои характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени называется надежностью.Любое изделие всегда находится в одном из двух состояний – работоспособном или неработоспособном. Надежность изделия, прибора, системы зависит от надежности отдельных деталей, элементов, вспомогательных узлов, из которых собрано изделие. При рассмотрении надежности узлов САУ считают, что все детали, из которых состоит устройство, включены последовательно, т.е. выход из строя любой детали или элемента приводит к выходу из строя всей системы. Чем большее число отдельных элементов использовано для создания системы, тем ниже будет ее надежность.Надежность изделия характеризуется рядом свойств, оценка каждого их которых необходима при ее анализе: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью.Расчетные значения интенсивности отказов для всех элементов схемы приведены в таблице 5.1.Таблица 5.1.Расчетные значения интенсивности отказов для всех элементов схемы одного измерительного канала.Наименование элементаТипКонструктивные характеристикиКол. n,шт.Интенсивность отказовИнтенсивность отказовПрим.МикросхемаLM358Аналоговые1МикросхемаLM393Аналоговые1МикросхемаКР142ЕН5ААналоговые1МикросхемаAtmega8AМикропроцессоры1МикросхемаК555ТМ2Цифровые1МикросхемаК555ЛП5Цифровые1МикросхемаК555ЛА3Цифровые1КонденсаторК10-7БКерамический2КонденсаторК10-17БКерамический3КонденсаторK50-352РезисторМЛТ 0,125Металлодиэлектрический10ДиодКЦ407АМост1Диод2С102АСтабилитрон1ДиодАЛ307АСветодиод1Резистор подстроечныйСП5-2ВБМногооборотный1ИндикаторLCD08011РезонаторРПК01 НС-49UКварцевый1ТрансформаторТН20-115-4001Печатная плата1Пайка100Итого:Конструктивно разрабатываемое устройство состоит из трех одинаковых каналов измерения. Рассчитываем интенсивность отказов всего устройства.Найдем общую интенсивность отказов устройства с учетом условий эксплуатации согласно формуле:(5.1), где - поправочный коэффициент, определяемый условиями эксплуатации устройства. В данном мы имеем подвижную (переносную) аппаратуру.Подставляем значения в (5.1), получаемСреднее время работы до отказа определяется по формуле:Рассчитаем вероятность безотказной работы за время t по формуле:Результаты расчета представлены на рисунке 5.1.Рис. 5.1. – Результаты расчета вероятность безотказной работы за время tК примеру, вероятность безотказной работы имитатора за одну рабочую смену (8 часов) составит5.2. Расчет погрешностиПогрешностью измерения называют отличие результата измерения от действительного значения определяемой величины. Действительные значения получают в результате опытных измерений приборами высокой точности и применением точных схем. Действительные значения очень близки к истинным значениям искомой величины.Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина, и находится по формуле:Относительная погрешность измерения выражается в процентах, ирассчитывается по формуле:Приведенные выше виды погрешностей характеризуют неточности измерений в целом. Для электроизмерительных приборов вводят несколько дополнительных понятий.Приведенная погрешность прибора – это выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности измерения к конечному значению шкалы прибора:(5.1)Рассчитаем приведенную погрешность прибора. Исходные данные:Частота следования образцовых импульсов Частота измеряемой сети Конечное значение шкалы прибора в пересчете на количество импульсов образцовой частоты:(5.2)Абсолютная погрешность измерения, вызванная ошибкойквантования, в пересчете на количество импульсов образцовой частоты:(5.3)Подставляем (5.2) и (5.3) в (5.1):Класс точности отображает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора.Согласно ТЗ класс точности измерительного устройства должен быть не хуже 0,1%.Известно, что ошибка квантования – не единственный вид погрешности, оказывающий влияние на суммарную погрешность измерения. Но иные виды погрешностей могут быть в большей или меньшей степени нивелированы технологией изготовления устройства, подбором элементной базы, мерами по температурной компенсации. Ошибка квантования, пожалуй, единственный источник возникновения погрешности измерения, который жестко определяется на стадии конструирования измерительного прибора.Вывод по разделу: разрабатываемый в дипломном проекте цифровой измеритель угла сдвига фаз между током и напряжением бортовой сети летательного аппарата конструктивно может обеспечить класс точности не хуже 0,1%, оговоренный в ТЗ.ЗаключениеВ дипломном проекте разработан цифровой измеритель угла сдвига фаз между током и напряжением бортовой сети летательного аппарата.Для достижения поставленной цели в квалификационной выпускной работе необходимо решены следующие задачипроведен обзор существующих методов и средств измерения угла сдвига фаз;разработано техническое заданиеразработаны электрические структурная, функциональная и принципиальная схемы;составлен алгоритм работы и управляющая программа микропроцессора;разработана конструкция печатной платы и общий вид измерителя;проведенрасчет надежности и погрешности.Список литературы1.Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович. – М. : Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 528 с.2.Гусев, В. Г. Электроника : учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 2003. – 622 с.3.Забродин, Ю. С. Промышленная электроника : учеб. для вузов / Ю. С. Забродин. – М. :Высш. шк., 2008. – 496 с.4.Ушаков Н.Н. Технология производства ЭВМ: Учеб. – М.: Высшая школа, 1991. – 416 с.5.Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. – М.: Высшая школа, 1990. – 432 с.6.Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учеб. / К.И, Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева и др. под общ. ред. В.А. Шахнова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 528 с.7.Волковой М.С. Конструирование средств и систем управления. Электромонтаж в радиоэлектронной аппаратуре: Учеб. пособие / ПГТУ, Пермь, 2003. 79 с.8.Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.9.Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник под ред. Э.Т. Романычевой. М.: Радио и связь, 1989. 448 с.Приложение А. Перечень элементовПоз. обознач.НаименованиеКол.ПримечаниеМикросхемыDA1LM3581ИмпортDA2LM3931ИмпортDA3КР142ЕН5А1DD1ATmega8A-PU1ИмпортDD2К555ТМ21DD3К555ЛП51DD4К555ЛА31КонденсаторыC1, С2К10 – 7В - 12 пФ± 5%1C3К50 – 35 – 10 мкФ х 16В3С4, С5, С7К10-17Б-Н90 - 100 нФ ± 10%1C6К50 – 35 – 1 мкФ х 16В1Резисторы МЛТ 0,125 - В ГОСТ 7113 - 77R1, R410кОм ± 5% 2R2, R3390кОм ± 5%2R5, R6, R112,2кОм ± 5%3R7270 Ом ± 5%1R843 Ом ± 5%1R921 Ом ± 5%1ДиодыVD1КЦ407А1VD22C102А1Подстроечные резисторыR10СП5-2ВБ 15 кОм1Кварцевые резонаторыZ1РПК01 НС-49U 8.0001СветодиодыLED1АЛ307Б1ИндикаторыDD5LCD04011ИмпортТрансформаторыТ1ТН20-115-4001