6.3.2 Схема фильтрации и интерполяции сигнала
Процесс фильтрации и интерполяции сигнала осуществляется для подачи сигнала на ЦАП от ПЛИС. Он реализуется программно в среде моделирования Matlab (код программы в Приложении 3), и затем на основе полученной модели в САПР Quartus Altera. Необходимо обеспечить подавление внеполосных гармоник на выходе 80 дБ. Схема фильтрации представлена на рис.6.
Рис.6
После кодера-модулятора сигнал с частотой дискретизации 768 кГц поступает в канальный фильтр, который обеспечивает основное подавление вне полосы (порядка 35-40 дБ). В следствие этого он большого порядка. Затем происходит интерполяция и сглаживание двумя ФНЧ фильтрами небольшого порядка. Далее сигнал интерполируется в 32 раза и стоит CIC фильтр, дающий подавление еще в примерно 40 дБ. Ввиду сильной неравномерности АЧХ CIC фильтра амплитуды гармоник сигнала довольно сильно искажаются. Для предотвращения искажения амплитуд гармоник после CIC стоит фильтр корректор (ФК). Далее умножением на экспоненту, переносим сигнал на нужную нам несущую частоту. Потом сигнал идет на ЦАП с частотой дискретизации 98,304. CIC фильтр мы используем потому, что в ПЛИС количество умножителей ограничено, и нам доступно только сложение и задержка, что реализуется с помощью элемента памяти и сумматора.
6.4 Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь получает цифровой сигнал от ПЛИС через параллельные выводы и преобразует его в аналоговую форму. По техническому заданию нам необходимо получить соотношение сигнал/шум 80 дБ. Исходя из этого, мы по следующей формуле посчитаем необходимую нам разрядность ЦАП:
SNR = 6,02•N + 1,76 дБ,
где SNR (сигнал/шум) = 80 дБ (по заданию), N - разрядность. Получаем N = ? 13. Если брать с запасом, то необходимая разрядность ЦАП будет равна 14-ти.
Также нам необходимо чтобы спектр вписывался в маску DRM. [4]. Как видно из рис.7 SFDR должно укладываться в 60 дБ.
Рис.7
Был выбран 14-ти разрядный ЦАП фирмы Analog Devices AD9857 т.к. он полностью соответствует нашим требованиям. По рис.8 можно оценить качество преобразования этого ЦАП для одной несущей на частоте 10 МГц.
Рис.8
На рис.9 представлен сигнал похожий на DRM 64-QAM. По уровню видно, что мы укладываемся в маску. [5]
Рис.9
Также AD9857 представляет собой комбинацию интегрированных на одном кристалле быстродействующего синтезатора прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer), схемы умножения частоты тактового сигнала, цифровых фильтров и других функций цифровой обработки сигналов, которая образует полнофункциональный квадратурный цифровой преобразователь с повышением частоты. AD9857 предназначен для использования в качестве универсального квадратурного модулятора с быстрым изменением частоты, однотонального DDS или интерполирующего ЦАП в системах связи, в которых предъявляются повышенные требования к стоимости, габаритам, рассеиваемой мощности и динамическим характеристикам.
В таблице 3 приведены общие характеристики AD9857AST.
Табл.3
Разрядность сигнального тракта |
14 |
|
Частота внутреннего тактового сигнала |
200 МГц |
|
SFDR на частоте вых. сигнала 65 МГц |
80 Дб |
|
температурный диапазон |
от - 40°C до 85°C |
|
напряжение питания |
3,3 В |
|
количество разъемов |
80 |
Принципиальная схема ЦАП представлена в Приложении 1 на рис.17.
6.5 Блок формирования опорной частоты
На рис.10 представлена схема формирования опорной тактовой частоты.
Рис.10
Устройство формирования высокостабильной опорной тактовой частоты выполняется с помощью микросхемы DDS AD9952 и кварцевого генератора компании Raltron серии C043 с частотой 10 МГц. Из 10-ти МГц мы будем получать 98,304 МГц. Требования к генератору были не очень большие т.к. основная стабильность обеспечивается блоком DDS.
AD9952 - это синтезатор прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer) с 14-разрядным ЦАП, имеющем быстродействие до 400 MSPS. AD9952 использует комбинацию усовершенствованной технологии DDS и интегрированного быстродействующего, высококачественного ЦАП, которая образует полнофункциональный высокочастотный синтезатора с цифровым программированием, способный генерировать выходные аналоговые синусоидальные сигналы на частоте до 200 МГц с возможностью быстрой перестройки частоты. AD9952 поддерживает быструю скачкообразную перестройку частоты и высокое разрешение настройки (разрядность слова настройки частоты - 32 бита). Управляющие слова и данные настройки частоты загружаются в AD9952 через последовательный порт ввода/вывода. AD9952 работает в расширенном промышленном температурном диапазоне от ?40°C до +105°C.
Генератор формирует 10 МГц. DDS, используя входной умножитель на х10, получает 100 МГц, а из 100 МГц получает стабильные 98,304 МГц. Режим работы микросхемы DDS задается с использованием микроконтроллера Atmega128-AU. После DDS стоит высокочастотный балансный трансформатор T1-6T-KK81, служащий для перевода сигнала из дифференциальной формы в обычную относительно земли. Далее, необходимо было поставить фильтр, т.к. на выходе нашего DDS получается так называемая “грязная” частота 98,304. Был выбран ПАВ-фильтр ZQ1-7 c центральной частотой 98,304 МГц обладающий очень хорошей избирательностью. Он очень хорошо вырезает нашу частоту и делает ее “чистой”. Т.к. после фильтрации коэффициент усиления становится меньше 1 необходимо усилить сигнал. Ставится операционный усилитель. С усилителя соответственно полученная частота передаётся на ЦАП, на ПЛИС и используется как опорная тактовая частота.
Принципиальная схема DDS и остальных компонентов представлены в Приложении 1 на рис.18.
6.6 Подробная структурная схема
В этом разделе на рис.11 представлена подробная структурная схема.
Рис.11
Все наше устройство питается от источника питания в 5 В. Для преобразования логических уровней по напряжению необходимых для каждых отдельных микросхем стоят DC-DC преобразователи.
Для хранения различных настроек пользователя, констант и других данных к ПЛИС подключена внешняя flash-память.
У микроконтроллера имеется ЖК дисплей, а также клавиатура для ввода данных в контроллер.
Таким образом сигнал поступает на ПЛИС через RS232-интерфейс, параметры DRM могут вводится через клавиатуру в микроконтроллер и передаются на ПЛИС. Далее сигнал обрабатывается и в цифровой форме через параллельные выводы поступает на ЦАП. Где происходит его преобразование в аналоговую форму и далее идет на дифференциальные выходы x7 и x8.
7. Экономическая часть
Разрабатывается устройство передачи DRM сигнала. В настоящее время это устройство является лабораторным макетом, и в производство его в таком виде пускать не будут. На основе макета заявления о его экономической эффективности не делается. В настоящем разделе выполним оценку себестоимости нашего устройства т.е. будут рассчитываться затраты лишь на часть НИОКР.
7.1 Затраты на НИОКР
В таблице 4 приведены все этапы работы проектирования устройства.
Табл.4
Этапы и работы |
Исполнитель |
Трудо-емкость, чел. - дн. |
Численность, чел |
Длительность, дн. |
||
1 |
Составление и утверждение ТЗ |
Научн. |
3 |
1 |
3 |
|
2 |
Изучение ТЗ |
Исполн. |
3 |
1 |
3 |
|
3 |
Сбор и изучение документации по теме |
Исполн. |
25 |
1 |
25 |
|
4 |
Разработка принципиальной схемы передатчика |
Исполн. |
30 |
1 |
30 |
|
5 |
Монтаж элементов |
Техник |
28 |
2 |
14 |
|
6 |
Написание программы и проведение измерений |
Исполн. |
7 |
1 |
7 |
Затраты на разработку (этапы 1-4):
,
где СЗ - основная зарплата специалиста, СЭ - затраты на энергопотребление и амортизацию компьютера
Вычисление заработной платы инженера-конструктора:
· Ставка инженера-конструктора (по контракту) - 25 000 руб. /мес.
· Разработка устройства - 488 часов
(Определяется как сумма часов, затраченных на разработку с 1 по 4 этапы).
· Количество рабочих часов в месяц - 168.
Процент отчислений органам социального обеспечения - 0,3 (30%)
СЗ = (488•25000) /168 = 72000 руб.
С учётом социальных отчислений: СЗ=72000*1.3=93600 руб.
Вычисление амортизации и энергопотребление оборудования (компьютера):
· Стоимость компьютера, на котором проводилась разработка - 15 000 руб.
· В году 52 рабочих недели, с учетом сокращенных дней и праздников - 1968 часов в год.
· Срок службы компьютера - 5 лет.
Амортизация компьютера = (15000•488) / (5•1968) = 744 руб.
Общая средняя мощность системного блока и монитора составляет 0,65 кВт. Стоимость электроэнергии (для промышленных предприятий) - 2 руб.59 коп. за кВт•час.
Затраты на электроэнергию = 0,65•2,59•488= 822 руб.
Таким образом:
Сраз=93600+744+822=95166 руб.
Затраты на изготовление (Этап 5)
где СЗ - основная зарплата инженера-сборщика, СК - стоимость комплектующих
Вычисление заработной платы специалиста:
· Ставка инженера-сборщика (по контракту) - 15 000 руб. /мес.
· Изготовление устройства - 224 часа).
· Количество рабочих часов в месяц - 168.
руб
С учётом социальных отчислений: Сз=20000*1.3=26000
Затраты на основные и вспомогательные материалы рассчитываются по формуле:
,
где - число видов материалов расходуемых на изготовление устройства, - количество основных и вспомогательных материалов, - коэффициент учета транспортно-заготовительных расходов, - оптовая цена единицы i-го материала, - количество реализуемых отходов, - цена единичных возвратных отходов i-го
материала. Оптовые цены на каждый вид материала принимаются по ценам реализующих предприятий. По нормативам базового предприятия возвратно-реализуемые отходы составляют 2% от затрат, поэтому для расчета принимается:
Результаты расчета стоимости основных и вспомогательных материалов, расходуемых на изготовление спроектированного устройства, сводим в таблицу 5.
Табл.5
Наименование |
норма |
цена за ед., |
общая сумма |
|
материала |
расхода |
руб |
затрат, руб |
|
на изделие |
||||
Алюминий |
2,5 |
4,6 |
11,5 |
|
Сталь СТ-3 |
0,7 |
3,2 |
2,24 |
|
Канифоль сосновая "B" |
0,017 |
30 |
0,51 |
|
Спирт технический |
0,03 |
16 |
0,48 |
|
Припой ПОС-61 |
0,1 |
100 |
10 |
|
Стеклотекстолит СФ-2 |
0,05 |
80 |
4 |
|
Нитролак |
0,015 |
100 |
1,5 |
|
Флюс ФГСП |
0,018 |
30 |
0,54 |
|
Растворитель |
0,1 |
40 |
4 |
|
Прочее (болты, гайки и т.д.) |
- |
- |
30 |
|
Итого |
64,77 |
Затраты на основные и вспомогательные материалы
Расчет затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты.
Расчет производится по формуле:
,
где - цена каждого i-го покупного изделия, - количество покупных изделий и полуфабрикатов, - число типов изделий и полуфабрикатов. Результаты расчетов сведем в таблицу 6.
Табл.6
Наименование поукпных |
Кол-во gni |
Цена за |
Общая |
|
материалов |
единицу Цni, руб |
сумма, руб |
||
ЦАП AD9857AST |
1 |
207 |
207 |
|
Микроконтроллер ATMEGA128-AU |
1 |
307 |
307 |
|
Интегр. схема MAX232EPE |
1 |
98,38 |
98,38 |
|
ЦВС AD9952YSV |
1 |
35 |
35 |
|
ПЛИС СYCLONE III ep2c25 |
1 |
2225 |
2225 |
|
Трансформатор T1-6T-KK81 |
3 |
358 |
1074 |
|
Транзистор KT368A9 |
2 |
3,2 |
6,4 |
|
Усилитеть AD8009_AR |
4 |
95,42 |
381,68 |
|
DC-DC P6AU-0505E |
3 |
89,67 |
269,01 |
|
Преобразователи LD1117AS12TR |
8 |
20,61 |
164,88 |
|
Диод Шоттки HSMS-2812 |
1 |
24 |
24 |
|
Кварцевый резонатор ZQ |
1 |
6 |
6 |
|
Диоды |
10 |
8 |
80 |
|
Фильтр ПАВ A028_AEC |
1 |
350 |
350 |
|
Диф. усилитель MC100LVEL16D |
1 |
171,62 |
171,62 |
|
Генератор CO43 (46) |
1 |
66,5 |
66,5 |
|
Коммутатор PE4230 |
1 |
67,11 |
67,11 |
|
Flash-память EPCS16SI16N |
1 |
140 |
140 |
|
Резисторы |
97 |
3,6 |
349,2 |
|
Конденсаторы |
101 |
3,5 |
353,5 |
|
ЖКИ 16х2 |
1 |
640 |
640 |
|
RS232 |
1 |
300 |
300 |
|
Печатная плата |
1 |
6000 |
6000 |
|
Общая стоимость |
13316,28 |
Все оптовые цены приведены по состоянию на 2012 год
Итого затраты на изготовление составляют:
Сизг = 26000 + 76 + 13982 = 40058 руб.
Статья затрат |
Величина затрат, руб. |
|
Затраты на изготовление |
40058 |
|
Накладные расходы (20% от суммарной себестоимости) |
8012 |
|
Затраты на изготовление устройства |
48070 |
В результате проделанной работы была подсчитана сумма общих затрат по 5-ти этапам (см. таблицу 4) и составила: 143 236 руб.
8. Безопасность жизнедеятельности
Разрабатываемый передатчик, работающий в КВ диапазоне до 30 МГц и мощностью десятки мВт, создает ряд вредных воздействий и факторов, к которым можно отнести электромагнитные излучения и возможность возникновения пожара. Ниже рассматриваются эти вопросы и приводятся защитные меры.
8.1 Электромагнитная безопасность
Электромагнитные поля радиочастот большой интенсивности вызывают в организме человека тепловой эффект, который может выразиться в нагреве тела, либо отдельных его тканей или органов. Воздействие электромагнитного поля особенно вредно для органов и тканей, недостаточно хорошо снабженных кровеносными сосудами (глаза, мозг, почки, желудок, мочевой и желчный пузырь). Наиболее чувствительны к воздействию радиоволн центральная нервная и сердечно-сосудистая системы. У человека возникают головная боль, повышенная утомляемость, изменение артериального давления, нервно-психические расстройства, а также могут наблюдаться выпадение волос, ломкость ногтей, снижение веса. Длительное воздействие сильных ЭМП вызывает у человека нарушения эндокринной системы, обменных процессов, функции головного и спинного мозга, повышает склонность к депрессиям и даже самоубийству и увеличивает вероятность развития сердечнососудистых заболеваний и раковых опухолей. Для диапазона частот от нескольких тысяч до 30 МГц характерно быстрое возрастание поглощения энергии, а следовательно, и поглощенной мощности телом с увеличением частоты колебаний. Электромагнитные излучения диапазона частот от 30 кГц до 30МГц влияют на центральную нервную систему, нейроэндокринную систему, аппарат кровообращения и дыхания, системы крови, двигательную активность, ориентационную реакцию, условные и безусловные рефлексы,, иммунокомпетентную функцию организма, белковый, углеводный обмен, зрительную систему. Могут стать причиной таких заболеваний: невротические расстройства, повышенная утомляемость, рак крови, слабоумие, опухоли мозга и др [6].
8.2 Защита от воздействия электромагнитного поля
Защита от излучений и электромагнитных полей в нашей стране регламентируется Законом России "Об охране окружающей среды", а также рядом нормативных документов (ГОСТы, СанПиНы, СН и др.). В целях предупреждения неблагоприятного влияния на состояние здоровья производственного персонала объектов и населения ЭМП в том числе и импульсных используют комплекс мер, включающий в себя проведение организационных, инженерно-технических и лечебно-профилактических мероприятий
Организационные мероприятия включают:
? выделение зон воздействия ЭМП (с уровнем, превышающим ПДУ с ограждением и обозначением соответствующими предупредительными знаками);
? выбор рациональных режимов работы оборудования;
? расположение рабочих мест и маршрутов передвижения обслуживающего персонала на расстояниях от источников ЭМП, обеспечивающих соблюдение ПДУ;
? ремонт оборудования, являющегося источником ЭМП, следует проводить по возможности вне зоны влияния полей от других источников;
? организацией системы оповещения о работе источников ИЭМП;
? разработка инструкции по безопасным условиям труда при работе с источником ИЭМП;
? соблюдение правил безопасной эксплуатации источников ЭМП.
Инженерно-технические мероприятия включают:
? рациональное размещение оборудования;
? организация дистанционного управления аппаратурой;
? заземление всех изолированных от земли крупногабаритных объектов,
включая машины и механизмы, металлические трубы отопления, водоснабжения и т.д., а также вентиляционные устройства;
? использование средств, ограничивающих поступление электромагнитной энергии на рабочие места персонала (поглотители мощности, экранирование отдельных блоков или всей излучающей аппаратуры, рабочего места, использование минимальной необходимой мощности генератора, покрытие стен, пола и потолка помещений радиопоглощающими материалами);
? применение средств коллективной и индивидуальной защиты (защитные очки, щитки, шлемы; защитная одежда - комбинезоны и костюмы с капюшонами, изготовленные из специальной электропроводящей, радиоотражающей или радиопоглощающей ткани; рукавицы или перчатки, обувь). Все части защитной одежды должны иметь между собой электрический контакт.
Лечебно-профилактические мероприятия:
? все лица, профессионально связанные с обслуживанием и эксплуатацией источников ЭМП, в том числе импульсных, должны проходить предварительный при поступлении на работу (отбор для лиц для работы с импульсными источниками) и периодические профилактические медосмотры в соответствии с действующим законодательством;
? лица, не достигшие 18-летнего возраста и беременные женщины допускаются к работе в условиях возникновения ЭМП только в случаях, когда интенсивность ЭМП на рабочих метах не превышает ПДУ, установленный для населения;
? контроль за условиями труда, за соблюдением санитарно-эпидемиологических правил и нормативов на рабочих местах;
? проведение профилактических и лечебных мероприятий, направленных на предотвращение возникновения неблагоприятных изменений состояния здоровья персонала, обострения имеющихся хронических заболеваний, развития профессиональных заболеваний, обусловленных влиянием ИЭМП;
? лица, имеющие медицинские противопоказания, к работе с источниками ИЭМП не допускаются.
8.3 ЭМП диапазона частот 30 кГц - 30 МГц
Оценка и нормирование ЭМП осуществляется по величине энергетической экспозиции (ЭЭ). Энергетическая экспозиция ЭМП определяется как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека. Предельно допустимые уровни энергетических экспозиций (ЭЭПДУ) на рабочих местах персонала за смену приведены в таблице 7. [ГОСТ 12.1.006-84]
Табл.7
Параметр |
ЭЭПДУ в диапазонах частот, МГц |
||
0,03-3,0 |
3,0-30,0 |
||
ЭЭE, (В/м) 2·ч |
20000 |
7000 |
|
ЭЭH, (А/м) 2·ч |
200 |
------ |
|
ЭЭППЭ, мкВт/см2 |
------ |
------ |
Максимальные допустимые уровни напряженности электрического и магнитного полей, плотности потока энергии ЭМП не должны превышать значений, представленных в таблице 8.
Табл.8
Параметр |
ЭЭПДУ в диапазонах частот, МГц |
||
0,03-3,0 |
3,0-30,0 |
||
Е, (В/м) 2 |
500 |
295 |
|
H, (A/м) 2 |
50 |
------ |
|
ППЭ, мкВт/см2 |
------ |
------ |
Значения предельно допустимых уровней напряженности электрической (ЕПДУ), магнитной (НПДУ) составляющих и плотности потока энергии (ППЭПДУ) в зависимости от продолжительности воздействия ЭМИ радиочастот приведены в таблице 9 [7].
Табл.9