передающий модуль АФАР UHF диапазона. Курсовая РПЗ. Расчет и моделирование генератора с внешним возбуждением. Часть 1

• Название: Расчет и моделирование генератора с внешним возбуждением. Часть 1
• Анкор: передающий модуль АФАР UHF диапазона
• Дата: 29.05.2022
• Размер: 5.88 Mb.
• Имя файла: Курсовая РПЗ.docx
• Тип: Реферат; #555837

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

ФАКУЛЬТЕТ «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА» (РЛ)

КАФЕДРА «РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА» (РЛ1)


РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к домашнему заданию №1 по курсу

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

на тему:

«Расчет и моделирование генератора с внешним возбуждением.

Часть 1»

ВЫПОЛНИЛ: студент группы РЛ1-81 _____________ Соловьев Н. С. «__»____________2020 г.

ПРОВЕРИЛ: к. т. н., доцент кафедры РЛ1 _____________ Родин М. В. «__»____________2020 г.

Москва, 2020

РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка: 29 стр., 10 рис., 1 табл., 4 ист., 7 прил.

Ключевые слова:

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ, АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ РЕШЕТКА, КОНТРОЛЛЕР ПИТАНИЯ.

Предмет исследования – контроллер питания усилителя мощности передающего модуля АФАР.

Цель работы – спроектировать контроллер для передающего модуля АФАР, разработать конструкторскую документация.

Метод разработки – моделирование с использованием пакета прикладных программ (ППП) АltiumDesigner, SolidWorks, выполнение схемы электрической принципиальной, перечня элементов, спецификации, сборочного чертежа, функциональной схемы, чертежа топологии платы по ГОСТ 2.702-2011, ГОСТ 2.701-2008, ГОСТ 2.106-96, ГОСТ 2.109-73,
ГОСТ 2.417-91.

Область применения объекта исследования – антенные системы.

Вывод – в ходе выполнения данного домашнего задания были получены навыки разработки печатной платы для микроконтроллера передающего модуля АФАР, в результате чего была сгенерирована схема электрическая принципиальная с перечнем элементов, сборочный чертеж с спецификацией, чертеж топологии платы, электрическая схема функциональная.

Содержание

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 7

2Анализ исходных данныХ 7

2.1ПМ общие сведения 7

2.2Контроллер общие сведения 10

3Моделирование контроллера в САПР 13

3.1Создание библиотеки компонентов 13

3.2Построение электрической принципиальной схемы 15

3.3Трассировка платы 15

4Формирование КД в соответствии с ЕСКД 18

Заключение 19

Список использованных источников 20

Приложение а спецификация 21

Приложение Б. сборочный чертеж 25

Приложение В. электрическая функциональная схема 26

Приложение Г. электрическая принципиальная схема 27

Приложение Д. перечень элементов 28

Приложение Е.чертеж Топологии 30

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АР	- антенная решетка
АФАР	- активная фазированная антенная решетка
АЧХ	- амплитудно-частотная характеристика
ВУ	- выходное устройство
ЕСКД	- единая система конструкторской документации
ИЭП	- источник электропитаний
ПЛИС	- программируемая логическая интегральная схема
ПМ	- передающий модуль
ППП	- пакет прикладных программ
ПУМ	- предварительный усилитель мощности
РЛС	- радиолокационная станция
СМИ	- источник напряжения смещения
ТУ	- технические условия
УГО	- условно-графическое отображение
УМ	- усилитель мощности
ФАР	- фазированная антенная решетка

ВВЕДЕНИЕ

Современная элементная база радиоэлектронной техники сделала возможной реализацию полностью твердотельные передающих трактов для радиолокационных станций (РЛС) с активными фазированными решетками (АФАР). Основными преимуществами данных антенных решеток (АР) относительно традиционных пассивных антенных решеток являются:

• 
  Надежность, в связи с тем, что в АФАР каждый элемент АР имеет свой приемник и передатчик, выход из строя одного из них не выводит из строя АР в целом.
  
• 
  Отсутствие высоковольтного источника питания, требуемого для мощных пассивных АР, что снижает массу системы и повышает надежность
  
• 
  Возможность более гибкой работы с возможностями фазированной антенной решеткой (ФАР), в частности способность вести несколько целей.
  

Недостатком же, в частности, является высокая цена данного устройства.

В ходе данной работы будет рассмотрен передающий модуль АФАР UHF диапазона, в частности контроллер питания узла усилителя мощности (УМ). В результате необходимо получить комплект конструкторской документации (спецификация, сборочный чертеж, электрическая схема принципиальная, электрическая схема функциональная, перечень элементов) оформленный в соответствие с единой системой конструкторской документации (ЕСКД). В процессе работы предполагается освоение и использование следующих пакетов прикладных программ (ППП): AltiumDesigner, SolidWorks, MSVisio.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Для заданного контроллера передающего модуля (ПМ) АФАР разработать электрическую функциональную схему, электрическую схему принципиальную, спроектировать печатную плату и разработать сборочный чертеж и чертеж топологии печатной платы.

За основу следовало принять структуру и устройство разработанного ПМ АФАР UHF диапазона, исходные данные которого были выданы научным руководителем проекта.

Основные характеристики ПМ представлены в таблице 1.

1. 
   – Основные характеристики ПМ
   

   № п/п	Параметр	Значение
   1	Рабочий диапазон частот	UHF
   2	Относительная полоса пропускания, %	12
   3	Диапазон регулировки выходной импульсной мощности, кВт	3…7
   4	Режим работы	импульсный
   5	Мощность входного сигнала, мВт	400
   6	Нестабильность установленного значения выходной мощности, дБ, не более	0,25
   7	Наличие контроля по параметрам	есть
   8	Тип управляющего интерфейса	RS-485
   9	Неравномерность АЧХ, дБ, не более	2
   10	Диапазон рабочих температур	от -50 до +65°С

1. Анализ исходных данныХ

   1. ПМ общие сведения

ПМ состоит из нескольких унифицированных узлов:

• 
  Предварительного усилителя мощности (ПУМ), также выполняющего функции центрального управляющего устройства ПМ;
  
• 
  Набора усилителей модности (УМ), позволяющих достигнуть требуемого значения модности на выходе ПМ;
  
• 
  Выходного устройства (ВУ), обеспечивабщего суммирование модности всех УМ, с функцией измерения мощности падающего и отраженного сигнала на выходе ПМ.
  

На рисунке 1 представлена структурная схема ПМ, из которой видно, что конструктивно ПМ состоит из семи узлов: ПУМ, делителя мощности (ДМ), четырёх УМ и ВУ.



Рисунок 1 - структурная схема ПМ
Разрабатываемый контроллер входит в состав узла УМ, структурная схема которого представлена на рисунке 2.



Рисунок 2 - структурная схема УМ
Из структурной схемы видно, что УМ состоит из усилительного каскада (делитель, два транзистора BLF578XR, сумматор, вентиль), контроллера (К), термодатчика, источника напряжения смещения (СМИ), собственного источника электропитания (ИЭП).

Узел УМ представляет собой один усилительный каскад с коэффициентом усиления до 17 дБ, построенный по схеме сложения мощностей двух транзисторов BLF578XR фирмы NXP. Согласующие цепи транзисторов реализованы посредством микрополосковых линий и высокочастотных конденсаторов. На выходе УМ установлен вентиль, обеспечивающий хорошую развязку по выходу УМ, а, следовательно, стабильность работы усилительного каскада.

УМ имеет собственный регулируемый ИЭП, что позволяет оперативно изменять выходную мощность ПМ в широких пределах (до 10 дБ). Также узел УМ содержит термодатчик, источник напряжения смещения СМИ, управляемый по цифровому интерфейсу, и плату контроля и управления К.

Коды для ИЭП ПУМ и УМ подаются после каждого строба по последовательному интерфейсу от ПЛИС платы СК узла ПУМ на микроконтроллер платы К узла УМ. В ответ микроконтроллер посылает считанные данные с датчика температуры и код, полученный в результате оцифровки напряжения электропитания. Полученные значения используются для контроля правильности установки режимов и защиты от перегрева. Обработка и выработка решений происходят в плате СК узла ПУМ.

Напряжение электропитания усилительных каскадов регулируется таким образом, чтобы поддерживать заданное значение мощности с точностью до 0,15 дБ. Напряжение смещения автоматически регулируется на основе данных от датчика температуры таким образом, чтобы поддерживать заданную рабочую точку усилительного каскада в диапазоне температур от -50 до +65°С.

2. Контроллер общие сведения

Основными функциями контроллера являются контроль напряжения смещения и питания усилителя мощности в зависимости от температуры с целью сохранения положения рабочей точки транзисторов в заданном положении. Контролер связан с центральным контроллером ПМ (СК) и передает информацию о текущем напряжения ИЭП, напряжении смещения, температуре и работоспособности УМ в целом. На рисунке 3 представлена функциональная схема узла «контроллер».



Рисунок 3 – Функциональная схема контроллера
Контроль происходит исходя из информации, поступающей на аналоговые входы микроконтроллер от термодатчика и источника питания, где происходит их оцифровка и обработка. Обработанная информация в зависимости от установленной прошивки микроконтроллера поступает в узлы СМИ и ИЭП, тем самым контролирую питание усилительных каскадов и напряжение смещения. Через LVSS интерфейс, организованный при помощи драйверов и диодной сборки информация о состоянии УМ поступает на центральный контроллер УМ (СК).

Питание, поступающее на плату контроллера из вне имеет напряжения 5 В, но для работы микроконтроллера требуется напряжение питания 3,3 В, в следствие чего в схему введен преобразователь постоянного тока (DC-DC преобразователь).

Вилка используется для контроля работы микроконтроллера, на нее дублируются информационные выводы микроконтроллера.

На рисунке 4 представлена фотография на которой изображено пример подобной платы контроллера питания.



Рисунок 4 – Изображение контроллера питания

3. Моделирование контроллера в САПР

   1. Создание библиотеки компонентов

При разработке печатной платы в ППП Altium Designer требуется создание библиотеки компонентов, требуемых для разрабатываемого устройства. Каждый элемент должен иметь файлы отображающие условно-графическое отображение элемента, его выводы и посадочные места на плате, трехмерную модель.

В процессе разработки печатной платы по имеющимся исходным данным (перечень элементов) были созданы библиотеки для каждого из 34-х элементов. Размеры корпусов элементов и габариты посадочных мест элементов были взяты из имеющихся ТУ на изделия. Трехмерные модели были разработаны в ППП SolidWorks.

На рисунках 5, 6, 7, представлены примеры УГО, файла выводов и посадочных мест и трехмерной модели элементов.



Рисунок 5 – УГО микроконтроллера


Рисунок 6 – Посадочные места микроконтроллера


Рисунок 7 – Трехмерная модель микроконтроллера

2. Построение электрической принципиальной схемы

При имеющейся библиотеке компонентов и исходя из имеющейся принципиальной схемы платы была построена электрическая принципиальная схема в ППП Altium designer. Перед этим были изменены настройки для корректной работы в соответствии с ГОСТ, а также созданы шаблоны в соответствии с ЕСКД.

Электрическая схема принципиальная представлена в приложении Д.

3. Трассировка платы

ППП Altium Designer позволяет по построенной в программе электрической схеме принципиальной перенести имеющиеся компоненты на модель платы и провести трассировку.

При разработке платы размеры сигнальных проводников и переходных отверстий выбирались в соответствии с 3 классом точности согласно ГОСТ Р 53429-2009.

Плата двухслойная, это обусловлено большим количеством выводов, находящихся близко друг к другу у микроконтроллера.

Размеры проводников, относящихся к линиям питания полупроводниковых элементов, были значительно больше сигнальных проводников, это связано с большими нагрузками на данные проводники и сделано для защиты проводников от деградации и выгорания при перегрузках.

Также на краях платы были сделаны сквозные отверстия для возможности монтажа печатной платы в корпус изделия на винты с резьбой М3.

Заземление было сделано единым металлическим полигоном с выводами на корпус.

На рисунках 8 и 9 представлена модель платы (верхний, нижний слои).



Рисунок 8 - Модель платы верхний слой



Рисунок 9 - Модель платы нижний слой

ППП Altium Designer также позволяет отобразить трехмерную модель спроектированной платы. На рисунке 10 представлена трехмерная модель печатной платы.



Рисунок 10 – Трехмерная модель печатной платы

4. Формирование КД в соответствии с ЕСКД

Номиналы элементов схем изначально были выбраны в соответствии с рядом Е24.

При помощи Altium Designer и имеющихся моделей платы были сформированы сборочный чертеж, чертеж топологии платы, схема электрическая принципиальная. При помощи Exсel были выполнены перечень элементов и спецификация. При помощи MS Visio была выполнена электрическая функциональная схема.

Вся разработанная документация была приведена в соответствие с ЕСКД.

Децимальный номер изделия был выбран исходя из классификатора ЕСКД.

Разработанная конструкторская документация представлена в приложениях А-Е

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были получены навыки разработки печатных плат микроконтроллеров передающих модулей АФАР. Были исследованы характеристики ПМ АФАР, структурные схемы и алгоритмы работы. В результате был получен комплект конструкторской документации на печатную плату контроллера УМ ПМ АФАР. Были Получены навыки пользования ППП такими как: Altium Designer, Solidworks, MS Visio.

Список использованных источников

1. А.В. Королев, Д.А. Костючик, Н.А. Кушнерев, М.В. Родин; Передающий модуль АФАР UHF диапазона; Антенны; – М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.

2. 
   Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. М.: Советское радио, 1972. 320 с.
   
3. 
   Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин А.В. Активные фазированные антенные решетки М.: Радиотехника, 2011. 320 с.
   
4. 
   Добычина Е.М. Цифровые антенные решетки радиоэлектронных бортовых систем; М.: Изд-во МАИ, 2018. 289 с.
   

Приложение а спецификация

Приложение Б. сборочный чертеж

Приложение В. электрическая функциональная схема

Приложение Г. электрическая принципиальная схема

Приложение Д. перечень элементов

Приложение Е.чертеж Топологии