Усилитель для снятия диаграмм направленности антенн и исследования распределения поля в СВЧ устройствах

РЕФЕРАТ

	Соколов И.В. Измерительный усилитель для лабораторных работ.

	          Пояснительная записка, страниц 60, рисунков 21,  источников 19.

Разработан и изготовлен макет измерительного усилителя. Проведены экспериментальные измерения диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны. Исследования проведены  на лабораторной базе кафедры ВЧСРТ.

Рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности. Рассчитаны затраты на проектирование и изготовление устройства.



Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата











Лит

Лист

Листов

2









УрФУ ИРИТ-РТФ

РЗ-600504

 Измерительный усилитель для

         лабораторных работ

Пояснительная записка

         ИРИТ 210302 107 ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Соколов

Разраб.





 Сычугов



Пров.







Т. контр.





Коротков

Н. контр.





 Князев

Утв.

























Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата











Лит

Лист

Листов

2









УрФУ ИРИТ-РТФ

РЗ-600504

 Измерительный усилитель для

         лабораторных работ

Пояснительная записка

         ИРИТ 210302 107 ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Соколов

Разраб.





 Сычугов



Пров.







Т. контр.





Коротков.

Н. контр.





 Князев

Утв.




























СОДЕРЖАНИЕ

Список условных сокращений…………………………………………………...4

Введение…………………………………………………………………………...5

1 Структурная схема измерительного усилителя……………………………….6

2 Разработка измерительного усилителя………………………………………...7

3 Блок индикации…………………………….…………………….…………....26                                                                                                   

4 Конструкция прибора………………………………………………...………..29

5 Результаты испытаний………………………………………………………...32

6 Расчет затрат…………………………………………………………………...37

7 Безопасность жизнедеятельности……………………..…………………….46

Заключение……………………………………………………………………….55

Библиографический список……………………………………………..……..56

Приложение А Схема электрическая принципиальная……………………….58

Приложение Б Сборочный чертеж……………………………………...…...…59





















СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь 

ГУН - генератор управляемый напряжением

ДН - диаграмма направленности

МОС - многопетлевая связь

ОУ - операционный усилитель

ППФ - полосно-пропускающий фильтр

ФВЧ - фильтр верхних частот

ФНЧ - фильтр нижних частот 



















ВВЕДЕНИЕ

В данной работе разрабатывается усилитель для снятия диаграмм направленности антенн и исследования распределения поля в СВЧ устройствах. При подключении детекторной секции блок позволяет измерять уровень сигнала с помощью цифровой индикации, линейной шкалы, а так же производить первоначальную настройку по звуковой сигнализации с изменяемой частотой следования щелчков. Предназначен для выполнения лабораторных работ по курсу «Антенны и устройства СВЧ», но может быть полезен и при выполнении  работ по другим курсам. 

























1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Измерительный усилитель будет состоять  из следующих узлов:

а) усилитель сигнала с детекторной секции;

б) блок цифровой индикации (вольтметр);

в) блок линейной индикации уровня сигнала;

г) блок звуковой сигнализации.

Общая структура представлена на рисунке 1.



Рисунок 1-Структурная схема измерительного усилителя.













2 РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Исходные данные:

амплитуда входного сигнала                                                                 1 мкВ-1мВ

частота входного сигнала                                                                                1 кГц

диапазон измеряемого вольтметром напряжения                                 1-1999 мВ

количество уровней  линейного индикатора                                                      10

звуковая сигнализация                                                            изменяемая частота 

напряжение питания                                                                                             5В

2.1 Расчет усилительного блока

Исходя из данных рассчитаем минимальный коэффициент усиления с запасом на показания индикатора и для повышения чувствительности :



Для реализации такого усиления используем последовательное соединение каскадов. Так как входной сигнал переменный с частотой 1 кГц, то для повышения избирательности применим простейший полосно-пропускающий фильтр, а для связи между каскадами используем емкостную связь. Выходной каскад будет представлять  собой выпрямитель для измерения амплитуды сигнала. Блок выполним на ОУ. При каскадном соединении общие усиление определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов:



где    Ku1 - коэффициент усиления входного каскада;

Ku ф - коэффициент усиления фильтра; 

Ku2 - коэффициент усиления второго каскада;

Ku дет =1 - коэффициент усиления детектора.

Распределим усиление по каскадам (с некоторым запасом) следующим образом: Ku1=48, Ku ф=2, Ku2=48. Тогда Ku=48*2*48=4608.

2.1.1 Расчет входного каскада

В качестве входного каскада используем ОУ в неинвертирующем включении, т.к. такой каскад обладает большим входным сопротивлением для исключения влияния на источник сигнала (можно согласовать по входу). При однополярном питании ОУ необходимо смещение для усиления  сигнала переменного тока (т.к. выходное напряжение не может быть отрицательным),
для неискаженной передачи синусоидального сигнала примем Uсм=2,5 В.

	Коэффициент усиления каскада (рисунок 2):





Рисунок 2-Схема входного каскада.

Конденсаторы C6, C5 – шунтирующие по питанию.C6 – танталовый или     электролитический большой емкости с включенным параллельно керамическим C5 малой емкостью. Конденсаторы  C2-танталовый  и C3-керамический, также шунтирующие для напряжения смещения. Пусть  C5=0,1 мкФ,C6=220 мкФ, C2=10 мкФ,C3=0,1 мкФ.

Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения для задания смещения равным половине напряжения питания и R2=R3=1 кОм. Резистор R1 ограничивает входной ток для защиты ОУ, примем R3=10 кОм.

Конденсатор C4 уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы. Это  устраняет усиление входного напряжения сдвига по постоянному току [13]. Цепочка R4C4 образуют фильтр верхних частот. Примем C4=2.2 мкФ, тогда частота среза:  



Сопротивление C4 на частоте сигнала – 72 Ома.

Конденсатор на входе C1 блокирует уровень постоянного напряжения равный Uсм. Совместно с входным сопротивлением  каскада он образуют фильтр верхних частот. Входное сопротивление  каскада (по сигналу):

Rвх=Rнеин оу  || [(R2||R3)+R1] ,

где   Rнеин оу  - входного сопротивления собственно ОУ в неинвертирующем включении (бесконечно большое), но R3 зашунтирован конденсатором C2,  таким образом :

Rвх= R1=10 кОм.

Постоянная времени этого фильтра: ?=C1Rвх.

При значении C1=0,1мкФ, точке по уровню -3дБ соответствует частота:



Коэффициент передачи на частоте 1000 Гц:



Конденсатор на входе C0 служит для ослабления высокочастотных паразитных составляющих  (помех) во входном сигнале. Выберем C0=2400 пФ. Его сопротивление  на частоте 1 кГц: XC0=1/(24*2?*10-7)=67кОм.

Аттенюатор выполним на основе делителя образованным резистором R0, включенным между входом XW1 и входной точкой усилителя, и входным сопротивлением самого каскада (рисунок 3).  



Рисунок 3-Схема входной цепи.

Входное сопротивление каскада по переменному току на частоте сигнала с учетом сопротивления конденсатора C0:

Rвх?=Rвх|| XC0=10*67/(10+67)=8,7 кОм.

Частота среза ФНЧ R0C0:



Коэффициент передачи на частоте 1000 Гц:



Выбрав R0=8,2 кОм получим ослабление около -6дБ  (в два раза).

В качестве ОУ выберем быстродействующий с однополярным питанием усилитель типа AD8061 имеющий Real-to-Real выход (т.е.выходное напряжение изменяется в полном диапазоне от 0 до Uп=5 В).

Параметры AD8061 [14]:

а) полоса пропускания                                              300 МГц;

б) скорость нарастания выходного напряжения     500 В/мкс;                                      

в) плотность напряжения шума                                   8,5 нВ/;

г) напряжение сдвига                                                1 мВ;

д) входной ток                                                           4 мкА.

Так как используется связь по переменному току и коэффициент передачи по постоянному току равен единице, то погрешности связанные с напряжением сдвига и входным током не играют роли (нет необходимости  использовать прецизионный ОУ, настраивать сдвиг в ноль и согласовывать сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам (из-за входных токов)).

2.1.2 Расчет полосового фильтра

Для более лучшего выделения полезного сигнала на фоне помех и наводок применим ППФ.Так как требования по избирательности (ширина полосы пропускания,затухание в полосе задерживания) не заданы,то используем простой фильтр второго порядка.

Полосно-пропускающий фильтр представляет собой устройство, которое пропускает сигналы в диапазоне частот с шириной полосы , расположенной около центральной частоты 0, рад/с, или , Гц. Частоты  н и в представляют собой нижнию и верхнюю частоты среза и определяют ширину полосы пропускания  =в-н (рисунок 4). 

В полосе пропускания амплитудно-частотная характеристика никогда не опускается ниже некоторого определенного значения, например А1 (рисунок 4). Существуют также две полосы задерживания 0 <  < 1 и  > 2, где значение амплитудно-частотной характеристики никогда не превышает заранее выбранного значения, например А2. Промежутки частот между полосой пропускания и полосами задерживания, 1 <  < н и в<  <2, являются переходными, где характеристика монотонна.

	

Рисунок 4-Идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики 
полосно-пропускающего фильтра.

Добротность Q = 0 /  характеризует качество самого фильтра и является мерой его избирательности. Высокому значению Q соответствует относительно узкая, а низкому значению Q – относительно широкая ширина полосы пропускания. Коэффициент усиления фильтра K определяется как значение его амплитудно-частотной характеристики на центральной частоте. Таким образом, K = Н(j0). Центральная частота и частоты среза связанны следующим соотношением [12]:



	где



Передаточная функция ППФ второго порядка имеет вид:

H(p)=.

Существуют разные схемы активных фильтров со своими свойствами для получения данной передаточной функции. Примером таких свойств могут являться, например, следующие [13]:

а) малое число элементов; 

б) легкость регулировки; 

в) малое влияние разброса параметров элементов; 

г) отсутствие жестких требований к ОУ;

е) нечувствительность характеристик фильтра по отношению к параметрам элементов; 

д) возможность создания высокодобротных фильтров.

Так, например, схема на ИНУН простая и требует мало элементов, но чувствительна к изменениям параметров элементов, биквадратный фильтр требует три ОУ и так далее.

Таким образом остановим свой выбор на ППФ с МОС. Из-за своей относительной простоты фильтр с МОС является одним из наиболее популярных типов фильтров с инвертирующим коэффициентом усиления. Он обладает также определенными преимуществами, а именно: невысокой чувствительностью к отклонениям значений элементов от номинала; введение положительной обратной связи позволяет получить значение добротности до 20 и уменьшить широкий диапазон номиналов [12]; низким выходным полным сопротивлением; таким образом, его можно сразу соединять каскадно с другими звеньями для реализации фильтра более высокого порядка. Недостаток схемы состоит в том, что коэффициент усиления и добротность должны удовлетворять условию: K<2Q2 [12]. Для достижения хороших результатов коэффициент усиления K и добротность Q должны быть ограничены значением, приблизительно равным 10.

Схема ППФ с МОС приведена на рисунке 4.



Рисунок 4-Схема полосового фильтра.

Параметры схемы:









Так как не задана добротность (полоса пропускания), то используя программу для расчета фильтров фирмы Analog Devices [17],с помощью итераций подберем  наименьшую полосу соответствующую фильтру второго порядка: ?f=170 Гц и Q=f0/?f= 1000/170=6.             

Номиналы элементов: выберем C10=C11=C и 







Примем C10=C11=0,047 мкФ, тогда







Из стандартного ряда выбираем: R6=10 кОм,R7=300 Ом,R10=39 кОм.

Смоделированная АЧХ фильтра приведена на рисунке 5.

Настройка этой схемы представляет определенную сложность, так как  и Q зависят от сопротивления одних и тех же резисторов, однако при малых значениях Q это не очень критично. Центральную полосу можно изменять не зависимо от ?? с помощью R6 или R7 (при этом меняется K) [12].

Резисторы R8 и R9 служат для задания смещения равного 2,5 В.Пусть R8=R9=1 кОм. Конденсаторы С8 и С9-фильтрующие по напряжению смещения: С8=10 мкФ танталовый, С9=0,1 мкФ керамический. Конденсаторы С12 и С13-фильтрующие по напряжению питания: С12=100 мкФ танталовый, С13=0,1 мкФ керамический.

Приняв входное сопротивление полосового фильтра равным нескольким килоомам вычислим значение емкости C7:







Рисунок 5-Смоделированная АЧХ фильтра.

Выберем C7=0,47 мкФ, тогда точке среза будет соответствовать частота:



Используемый ОУ должен быть достаточно быстродействующим, для фильтров с МОС полоса пропускания ОУ должна удовлетворять соотношению [12]: f1>50Q2K=50*36*2=3600 Гц. Напряжение смещения и входные токи не играют роли (связь по переменному току). Входное полное сопротивление ОУ должно быть по крайней мере 10Req, где Req = R7=300 Ом. 

Коэффициент усиления ОУ с разомкнутой обратной связью должен по крайней мере в 50 раз превышать значение амплитудно-частотной характеристики фильтра или звена на частоте fa – наибольшей требуемой частоте в полосе пропускания, а его скорость нарастания (В/мкс) должна в 0,5а10-5 раз превосходить максимальный размах выходного напряжения.

Выбранный ОУ AD8061 по параметрам (см.[14]) полностью удовлетворяет необходимым  требованиям.

2.1.3 Расчет второго каскада

	Второй каскад усиления выполним по схеме аналогичной входному каскаду, рисунок 6 (без С0). Коэффициент усиления каскада:



В качестве ОУ так же выберем усилитель типа AD8061.

Конденсаторы C18, C19 – шунтирующие по питанию.C19 – танталовый или электролитический большой емкости с включенным параллельно керамическим C18 малой емкостью. Конденсаторы C15-танталовый или электролитический и C16-керамический, также шунтирующие для напряжения смещения. Пусть  C18=0,1 мкФ,C19=220 мкФ, C15=220 мкФ,C16=0,1 мкФ.

Резисторы R12 и R13 образуют делитель напряжения для задания смещения равным половине напряжения питания и R12=R13=1 кОм. Резистор R11 ограничивает входной ток для защиты ОУ, примем R11=10 кОм.

Конденсатор C17 уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы. Это  устраняет усиление входного напряжения сдвига по постоянному току. Цепочка R14C17 образуют фильтр верхних частот .Примем C17=2.2 мкФ, тогда частота среза:  



Сопротивление C17 на частоте сигнала – 72 Ома.

Конденсатор на входе C14 блокирует уровень постоянного напряжения равный Uсм. Совместно с входным сопротивлением  каскада он образуют фильтр верхних частот. Входное сопротивление  каскада (по сигналу):



Рисунок 6-Схема второго каскада.

Rвх=Rнеин оу  || [(R12||R13)+R11] ,

где   Rнеин оу  - входного сопротивления собственно ОУ в неинвертирующем включении (бесконечно большое), но R13 зашунтирован конденсатором C15,  таким образом :

Rвх= R11=10 кОм.

Постоянная времени этого фильтра: ?=C14Rвх .

При значении C14=0,1мкФ, точке по уровню -3дБ соответствует частота:



Коэффициент передачи на частоте 1000 Гц:





2.1.4 Разработка детектора

При амплитуде сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя [13].В таком случае при помощи ОУ с диодом, включенном в цепь обратной связи, можно выпрямлять сигналы с уровнем в несколько милливольт (рисунок 7).



Рисунок 7- Простой активный выпрямитель.

При положительном входном напряжении диод обеспечивает отрицательную обратную связь, при этом исключается  падение напряжения на диоде. При отрицательном входном напряжении (ниже потенциала земли при связи по переменному току) ОУ переходит в режим насыщения и напряжение на выходе равно нулю. У такой схемы есть недостаток: в случае быстроизменяющихся сигналов выход из насыщения может занять некоторое время, в течении которого состояние выхода будет не правильным. Это можно исправить включением диода непосредственно между выходом и инвертирующим входом (рисунок 8). Благодаря диоду VD1 схема с положительными сигналами работает как повторитель, а для отрицательных сигналов диод VD2 ограничивает выходное напряжение ОУ по уровню, которое на величину падения на диоде ниже потенциала земли, а так как диод VD1 смещен в обратном направлении, то выходное напряжение равно нулю.В связи с тем, что напряжение на выходе должно изменяться на 1,2 В (двойное падение на диоде), а не на полный перепад отрицательного напряжения питания, то динамическая ошибка уменьшается [13]. 



Рисунок 8- Схема выпрямителя.

Эта схема работает при двухполярном питании ОУ или с однополярным, при смещении ОУ как во входном каскаде. Используя ОУ с однополярным питанием можно упростить схему, включив усилитель просто как повторитель [16], так как выходное напряжение в любом случае будет ограничено потенциалом земли. Оставив в таком виде схему, при необходимости можно, задав смещение, получить на дифференциальный выход (между выходом и делителем напряжения). Для того чтобы избавиться от необходимости регулировки смещения нуля (на выходе ноль при нуле на входе), используем прецизионный ОУ AD8605. Параметры AD8605 [15]:

а) полоса пропускания                                               10 МГц;

б) скорость нарастания выходного напряжения       5 В/мкс;

в) напряжение сдвига                                                 50 мкВ;

г) входной ток                                                            1пА.

Конденсатор С20 устраняет постоянную составляющую с выхода предыдущего каскада. Вместе с входным резистором R16 он образует ФВЧ. При значении C20=0,1мкФ и R16=10 кОм, точке по уровню -3дБ соответствует частота:



Коэффициент передачи на частоте 1000 Гц:



Конденсаторы С21 и С22 –шунтирующие по питанию: С21=0,1 мкФ- керамический, С22=220 мкФ- электролит.

Резистор R18 – нагрузка. Совместно с конденсатором С23 он образует низкочастотный фильтр для выделения огибающей сигнала, а так как сигнал немодулированный, то для измерения амплитуды (как в пиковом детекторе).При однополупериодном выпрямлении в отсутствии второго полупериода конденсатор С23 разряжается на нагрузку R18, следовательно постоянная времени разряда этой цепи должна быть больше, чем период колебаний Т=1 мс.

Постоянная времени разряда: 

?разр=С23*R18. 

Исходя из вышеперечисленного условия получим:

5*?разр>>T и С23*R18>>T/5=0,2 мс .

Выберем R18=10 кОм (исходя из нагрузочной способности ОУ) и С23=10 мкФ (?разр=0,1 с).

2.2 Блок линейной индикации уровня сигнала

В этом блоке используем специализированную микросхему LM3914 .Она предназначена для отображения уровня входного напряжения на светодиодную линейку в виде точки или столбика. В режиме точки горит только один светодиод, переключающийся по мере увеличения сигнала, а в режиме столбца – несколько, подобно непрерывной шкале.Ее выходы  расчитаны на 



Рисунок 9-Структура LM3914.

подключение десяти светодиодов, но возможно увеличение числа уровней индикации путем совместной работы нескольких микросхем. Структурная схема показана на рисунке 9, а типовое включение на рисунке 10. Как видно из структуры микросхема содержит в себе десять компараторов, на инвертирующие входы которых подается входное напряжение, а на неинвертирующие через делители опорное напряжение. Соответственно при превышении входным напряжением определенного порога происходит переключение заданного компаратора, что вызывает включение светодиода при  этом уровне входного сигнала. 



Рисунок 10 – Типовое включение LM3914.

Уровень максимального входного напряжения вызывающие свечение десятого светодиода определяется опорным напряжением, которое задается резисторами R1 и R2:

Uоп=1,25(1+R2/R1).

Ток светодиода задается резистором R1:

Iled=12,5/R1 .

В нашем случае входной уровень сигнала: Uвх max=1,25 В. Таким образом R2=0. Для используемых светодиодов FYL-5013LRD прямое напряжение при токе Iled=10 мА составляет Uпр=2 В. Следовательно R1=1,2 кОм, а так как выходное напряжение компараторов равно пяти вольтам, то нужно ставить гасящие резисторы сопротивлением: Rгас=(5- Uпр)/ Iled=(5-2)/0,01=300 Ом.

Выбор режима шкала осуществляется путем соединения вывода 9 с напряжением питания. Итоговая схема блока показана на рисунке 11.



Рисунок 11-Схема блока линейной индикации.

2.3 Блок звуковой индикации

По техническому заданию частота звукового сигнала должна меняться начиная с уровня выходного напряжения около 20 мВ.

Для изменения частоты щелчков в зависимости от напряжения используем микросхему ГУНа LM311 [18] в типовом включении (рисунок 12).Выходная частота определяется по формуле:





Рисунок 12-Схема ГУН.

Резистор Rs=Rr1+Rr – служит для подстройки пропорциональности между входным напряжением и выходной частоты, Rr1=10 кОм и Rr=4,7 кОм.

Резистор Rin=100 к и конденсатор Cin=0.1 мкФ- образуют входной ФНЧ.

Резистор Rh=10 кОм-подтягивающий к напряжению питания, так как  у микросхемы выход - открытый коллектор.

Резистор Rr совместно с резистивным делителем Rд и R2 – служит для задания порога начала генерации (0-30 мВ).

Конденсатор Cl=1 мкФ и Rl=100 кОм- выполняют роль нагрузки источника тока (выв.1).

Конденсатор Ct  и резистор Rt являются частотозадающими элементами.

Для диапазона выходной частоты 0-1000 Гц, то есть 100 Гц/В, рекомендуется следующие номиналы: Ct=0,01 мкФ и Rt=68 кОм.

Для лучшей точности нужно использовать однопроцентные резисторы (Rl, Rt ),а конденсатор Ct должен обладать малой утечкой (полистирольный или фторопластовый). 





















3 БЛОК ИНДИКАЦИИ

Блок выполним на основе ИМС КР572ПВ2А (ICL7107) [19].

Схема включения представлена рисунке 14.



Рисунок 14-Схема вольтметра.

Микросхема представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных разрядов, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала.Она является электронной частью цифрового вольтметра,измеряющего входной сигнал до 1,999 В или 199,9 мВ.Цифровая информация отображается на семисегментном светодиодном индикаторе [10].

 Микросхема имеет дифференциальные входы и высокую степень ослабления синфазного сигнала, что позволяет использовать АЦП в условиях действия сильных помех.

В микросхеме предусмотрено использование внутреннего и внешнего тактовых генераторов.В первом случае частота регулируется конденсатором С28, емкость которого выбирается из условия С28=0,45 /(fт*R37) .При работе с внешним генератором его подключают к выводу 40. Время цикла преобразования при fт =50 кГц равно 300 мс (3 пребразования в секунду) [10].Длительность цикла преобразования можно изменять либо подбором внешних частотозадающих элементов внутреннего генератора, либо изменением частоты внешнего генератора. Период циклов преобразования Т связан с тактовой частотой соотношением Т=16000/fт . Рекомендуемое значение R37=100 кОм.

Текущие показание цифрового табло- 1000(Uвх/Uобр). Образцовое напряжение регулируется R34=1 кОм, включенного в цепь делителя R33=9,1 кОм и R35=1,5 кОм. Напряжение на делитель подается с источника опорного напряжения DA7,представленной ИМС LM385-1.2 .К источнику питания она подключена через токоограничивающий резистор R36=10 кОм.Для входного диапазона в 2 В на выводе 36 устанавливают напряжение равное одному вольту.

Для питания микросхемы требуется двухполярное напряжение, при работе от одного источника +5 В применим ИМС инвертора на переключаемых конденсаторах ICL7660 (DA8).

Резистор R31=1 МОм и конденсатор С12=0,01 мкФ на входе АЦП образуют ФНЧ для уменьшения помех. Резистор R30=1 Мом определяет входное сопротивление вольтметра.

Образцовый конденсатор С27=0,1 мкФ.Интегрирующий конденсатор С25=0,1 мкФ (с малой утечкой), для Uвх=2 В интегрирующий резистор R32=470 кОм и конденсатор автокоррекции  С26=0,047 мкФ.







4 КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА

Исходя из габаритных размеров печатных плат, а также из эргономических соображений в качестве корпуса для усилителя используем пластиковый корпус G767 фирмы GAINTA размерами 140*190*60 мм. Он состоит из верхней крышки, основания, задней и передней панели.



5

4

3

2

1

Рисунок 15-Передняя панель.

На передней панели (рисунок 15) расположим органы управления и индикацию:

1- цифровое табло индикации уровня сигнала;

2- тумблер включения звуковой сигнализации;

3- тумблер включения аттенюатора;

4- гнездо подключения детекторной секции;

5- линейная шкала уровня сигнала.



На задней панели (рисунок 16) расположены следующие органы:



7

6

Рисунок 16-Задняя панель.

6- тумблер включения;

7- USB разъем питания.

Внутри прибора платы расположим исходя из количества соединений с органами управления и индикации, а так же минимальной длины соединительных проводников, в первую очередь с чувствительным усилителем. Так как конструктивно блок цифровой  и линейной индикации (поз.-8) расположены на одной плате (схожее функциональное назначение), то из-за количества соединительных проводников ее разместим ближе к передней панели (рисунок 17).

Вход усилителя так же находится в непосредственной близости от входного гнезда и тумблера аттенюатора (поз.10).

Плата звуковой  сигнализации (поз.9) не критична к расположению, поэтому она находится возле задней панели.

Все платы через стойки крепятся   к общему основанию, которое в свою очередь устанавливается на бобышки нижней части корпуса





10

9

8

Рисунок 17-Внутренний вид.

Из-за количества проводников плата индикации соединяется со светодиодными индикаторами многожильным шлейфом снабженным разъемами

для удобства подключения. Вход усилителя, для уменьшения помех, подключается к гнезду коаксиальным проводом. Остальные соединения выполнены монтажным проводом.





5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Испытания проведем путем снятия ДН волноводной щелевой АР и сравнения показаний с образцовым усилителем.

Работа производится на волне  () по методике описанной в [11].

Исследуется в режиме приёма ДН нерезонансная волноводная АР с продольными щелями (№1 на рисунке 18). К антенне присоединяется детекторная секция и продетектированный сигнал подаётся на испытуемый или образцовый усилитель. Схема установки для снятия ДН – на рисунке 19. Сечение волноводов 23х10 мм2.





Рисунок 18-Эскизы антенн.

Экспериментальные данные сведены в таблицу 5.1. В таблице приняты следующие обозначения:

Uобр - показания образцового усилителя;

Uисп - показания испытуемого усилителя;

Umобр , Umисп – максимальные показания соответственно образцового и испытуемого усилителя. 





Рисунок 19-Схема установки.

Таблица 5.1 Результаты измерений

угол ? 

Uобр





Uисп





33

0

0

0

0

0

0

32

0

0

0

0

0

0

31

0

0

0

0

0

0

30

0

0

0

0

0

0

29

2

0,001493

0,038633

1

0,00084

0,028989

28

4

0,002985

0,054636

2

0,001681

0,040996

27

6

0,004478

0,066915

2

0,001681

0,040996

26

5

0,003731

0,061085

2

0,001681

0,040996

25

3

0,002239

0,047316

2

0,001681

0,040996

24

0

0

0

0

0

0

23

0

0

0

0

0

0

22

0

0

0

0

0

0

21

0

0

0

0

0

0

20

0

0

0

0

0

0

19

0

0

0

0

0

0

18

7

0,005224

0,072276

2

0,001681

0,040996

17

16

0,01194

0,109272

8

0,006723

0,081992

16

24

0,01791

0,13383

12

0,010084

0,100419

15

26

0,019403

0,139295

11

0,009244

0,096144

14

20

0,014925

0,122169

10

0,008403

0,09167

13

9

0,006716

0,081954

3

0,002521

0,05021



Продолжение табл.5.1

12

0

0

0

0

0

0

11

0

0

0

0

0

0

10

0

0

0

0

0

0

9

31

0,023134

0,1521

20

0,016807

0,129641

8

107

0,079851

0,282579

70

0,058824

0,242536

7

232

0,173134

0,416094

151

0,126891

0,356217

6

382

0,285075

0,533924

262

0,220168

0,469221

5

563

0,420149

0,648189

404

0,339496

0,582663

4

808

0,602985

0,776521

580

0,487395

0,698137

3

1020

0,761194

0,872464

808

0,678992

0,824009

2

1176

0,877612

0,936809

1015

0,852941

0,923548

1

1282

0,956716

0,978119

1157

0,972269

0,986037

0

1340

1

1

1190

1

1

-1

1302

0,971642

0,985719

1160

0,97479

0,987314

-2

1176

0,877612

0,936809

1015

0,852941

0,923548

-3

1005

0,75

0,866025

810

0,680672

0,825029

-4

803

0,599254

0,774115

608

0,510924

0,71479

-5

552

0,41194

0,641826

381

0,320168

0,565834

-6

354

0,264179

0,513984

237

0,19916

0,446273

-7

113

0,084328

0,290393

111

0,093277

0,305413

-8

52

0,038806

0,196992

37

0,031092

0,17633

-9

11

0,008209

0,090603

5

0,004202

0,06482

-10

1

0,000746

0,027318

1

0,00084

0,028989

-11

9

0,006716

0,081954

2

0,001681

0,040996

-12

33

0,024627

0,156929

16

0,013445

0,115954

-13

51

0,03806

0,195089

32

0,026891

0,163984

-14

62

0,046269

0,215102

38

0,031933

0,178697

-15

59

0,04403

0,209833

37

0,031092

0,17633

-16

44

0,032836

0,181207

28

0,023529

0,153393

-17

27

0,020149

0,141948

15

0,012605

0,112272

-18

10

0,007463

0,086387

5

0,004202

0,06482

-19

2

0,001493

0,038633

1

0,00084

0,028989

-20

0

0

0

0

0

0

-21

0

0

0

0

0

0

-22

6

0,004478

0,066915

2

0,001681

0,040996

-23

11

0,008209

0,090603

4

0,003361

0,057977

-24

16

0,01194

0,109272

6

0,005042

0,071007

-25

16

0,01194

0,109272

7

0,005882

0,076696

-26

12

0,008955

0,094632

5

0,004202

0,06482

-27

4

0,002985

0,054636

2

0,001681

0,040996

-28

0

0

0

0

0

0

-29

2

0,001493

0,038633

0

0

0

-30

2

0,001493

0,038633

0

0

0

-31

2

0,001493

0,038633

0

0

0

-32

1

0,000746

0,027318

0

0

0

-33

1

0,000746

0,027318

0

0

0

Корень из нормированных показаний берется из-за квадратичной характеристики детектора.

Графики ДН снятые усилителями приведены на рисунке 20. 



Рисунок 20-ДН снятые усилителями.

ДН антенны из n щелей определяется соотношением [10]:

,                                    

где     - ДН одиночной продольной щели (плоскость H), 



 - множитель равномерной линейной решётки.

,                            

где    d=18 мм - расстояние между щелями,

          - сдвиг фаз питания:

.                                          

=? –дополнительный фазовый сдвиг обусловленный противоположным смещением щелей,

  - длина волны в волноводе.

Таким образом сдвиг фаз равен: .

Границы видимой области:

.    ,





График множителя решетки представлен на рисунке 21.



Рисунок 21-Множитель решетки.

6 РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ УСИЛИТЕЛЯ

6.1 Введение

В предыдущих разделах выпускной квалификационной работы описываются этапы разработки лабораторного усилителя. В ходе выполнения работы был проведен анализ задания, расчет измерительной части, разработан макет, проведены испытания.

Данный раздел является обобщающим, в котором сконцентрированы результаты экономического анализа и оценка затрат на разработку измерительного усилителя.

6.2 Анализ затрат на выполнение работы

Затраты на разработку включают:

а)затраты на заработную плату;

б)затраты на страховые взносы;

в)материальные затраты;

г)затраты на электроэнергию;

д)амортизационные отчисления;

е)накладные расходы.

Рассчитаем каждую затрат и сделаем вывод об общей стоимости проекта.

6.3 Расчет затрат на заработную плату разработчика

Затраты на заработную плату разработчику лабораторного усилителя складываются из затрат на основную и дополнительную заработную плату. Расчет основной заработной платы ведется исходя из фактически затраченного времени и установленного месячного оклада по формуле:

					                                          (1)

	

где   Зо.окл – основная заработная плата лиц, получающих оклад, в расчете на данную работу (изготовление изделия, исследование, дипломного проекта и т.д.), руб.;

Ом i – месячный оклад i - го работника с учетом уральской надбавки 15%, руб.;

Фпл – плановый годовой фонд рабочего времени предприятия (организации) при односменном режиме работы, ч.;

i = 1, … ,r – порядковый номер работника, участвующего в данной работе;

Тi – количество труда, затраченного i – м работником, ч.

Разработкой макета и проведение исследований занимался один человек, следовательно, формула 1 примет следующий вид:

						                                                               (2)

	      Месячный оклад разработчика равен:

 Ом = 25000 рублей.

	       Плановый годовой фонд рабочего времени Фпл рассчитывается по формуле:

	                                                                     (3)

где 	

Кф – количество календарных дней в 2016 году, Кф=366дней;

Двых – количество выходных дней в году, Двых=114 дней;

Дпр – количество дней отдыха в связи с совпадением нерабочих праздничных дней в РФ, Дпр=8 дней;

t – продолжительность рабочего дня, (час). t=8 часов;

Тсокр – количество часов в данный календарный год, когда рабочий день перед праздником сокращается на один час. Тсокр=5 часов.

Плановый годовой фонд рабочего времени равен (по форму.......................