Элементная база информационных средств и систем. Элементная база средств автоматизации. Источники вторичного электропитания

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Факультет радиоэлектроники летательных аппаратов Кафедра № 402 Материал к лекционным занятиям по дисциплине «Элементная база информационных средств и систем» Москва, 2017 г. ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Элементами общего назначения являются унифицированные и типовые элементы, используемые во всех отраслях техники. Они составляют элементную базу средств автоматизации. Простые элементы часто называют компонентами. На их основе строятся функциональные элементы и узлы. По роду используемой энергии элементы можно разделить на электрические, магнитные, пневматические, гидравлические, механические. В вещественном аспекте элементы подразделяют по виду применяемых материалов на механические (используются конструкционные металлические материалы или пластмассы), электрические (используются проводники электрического тока), электронные (используются полупроводники, в основном кремний) и т.д. В информационном аспекте элементы подразделяют по используемым видам модуляции на аналоговые, частотные, цифровые (кодовые). К электрическим компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.; к электронным -- диоды, транзисторы, тиристоры, фотодиоды, светодиоды, оптроны и др.; к электромеханическим -- реле, контакторы, магнитные пускатели, электродвигатели, элементы управления, например выключатели, переключатели, кнопки. Выпускаются комплексы универсальных гидравлических и пневматических элементов, позволяющие разрабатывать автоматические системы управления различной сложности, унифицированные гибридные преобразователи. Для преобразования неэлектрических величин в электрические, и Наоборот. Успехи микроэлектроники и технологии обработки полупроводниковых материалов привели к широкому использованию во всех отраслях техники микросхем, которые представляют собой Функциональные элементы, состоящие из большого числа компонентов, изготовленных на одном кристалле полупроводникового материала. 1.1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах Целью преподавания данной дисциплины является изучение студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств и методов их анализа, а также формирование у студентов знаний, навыков и умений, позво­ляющих осуществлять схемотехническое проектирование электронных устройств, которые обеспечивают усиление и обработку аналоговых сигналов, в том числе и с использованием интегральных микросхем, выпускаемых промышленностью. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но и обеспечивают базовую подготов­ку студентов по схемотехнике, необходимую им при изучении других схемотехнических дисциплин. В результате изучения дисциплины студенты должны: - знать принципы функционирования основных аналоговых элек­тронных устройств и их базовых элементов, особенности схемотехники этих устройств, в том числе и учитывающие возможность их реа­лизации по интегральной технологии и необходимость обеспечения стабильности их работы; - знать и уметь применять методы анализа усилительных и дру­гих аналоговых электронных устройств, основанные на использова­нии эквивалентных схем; уметь составлять эти схемы на базе прин­ципиальных схем анализируемых устройств; - знать принципы построения цепей обратной связи и их влия­ние на основные показатели и стабильность параметров аналоговых электронных устройств; уметь формировать эти цепи с целью улучшения качественных показателей разрабатываемых ус­тройств и получения заданной формы их характеристик; - уметь осуществлять схемотехническое проектирование разра­батываемых усилительных и других аналоговых устройств, в том чис­ле, построенных на базе операционных усилителей, а также с учетом возможности их реализации по интегральной технологии; выполнять расчеты, связанные с выбором параметров и режимов работы разрабатываемых устройств; - уметь применять современную вычислительную технику при анализе и проектировании аналоговых электронных устройств. Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, схемотехникой аналоговых электронных устройств и с методами их анализа; с задачами, связанными с обеспечением стабильности работы и знание которых необходимо как при разработке устройств, рассматриваемых в настоящей дисциплине, так и устройств, изучаемых в других дисциплинах и связанных с формированием, приемом и обработкой аналоговых сигналов. Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» базируется на физико-математической подготовке студентов, получаемой ими при изучении дисциплин «Математика» и «Физика», на знании методов анализа электрических цепей, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Основы компьютерного проектирования РЭС», а также на знании параметров и характеристик пассивных и активных радиокомпонентов, рассматриваемых дисциплинами «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Электроника». Материал, изучаемый в дисциплине «Схемотехника аналогов электронных устройств», используется студентами в дисциплинах «Устройства приема и обработки сигналов», «Основы телевидения», «Устройства генерирования и формирования сигналов» и др. Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники аналоговых электронных устройств, творческий подход и самостоятельность при изучении ими соответствующего ма­териала, необходимо провести большую методическую работу, направ­ленную на эффективное использование студентами часов, выделенных учебным планом для самостоятельной работы и на обеспечение руко­водства и контроля преподавателем этой работы. Учитывая место дисциплины в учебном плане, при чтении лекций необходимо особое внимание уделять принципам функционирования изучаемых устройств. Рассматриваемая схемотехника должна быть ориентирована на изго­товление аналоговых устройств, в том числе и по интегральной тех­нологии. Целесообразно об­ратить внимание и на обеспечение повторяемости разрабатываемых устройств при их производстве. Большое значение для творческого освоения студентами особен­ностей схемотехники аналоговых электронных устройств имеет выпол­нение ими курсового проекта. Курсовой проект по этой дисциплине является первым среди схемотехнических курсовых проектов, выпол­няемых студентами при обучении их по направлению 210300 - Радиотехника и по специальности 210302 - Радиотехника. При его выполнении студенты еще не имеют навыков разработки ус­тройств по заданным показателям. Поэтому во время работы студен­тов над курсовым проектом должно быть обеспечено достаточное ко­личество индивидуальных консультаций. Для реализации настоящей программы предусмотрено всего 140 часов, из них аудиторных занятий – 78 ч., которые могут быть распределены следующим об­разом: лекции - 46 ч., лабораторные занятия - 32 ч. и самостоятельные занятия – 62 ч. Схемотехника аналоговых электронных устройств изучается в течение четвертого и пятого семестров. Отчетность: зачет в четвертом семестре; дифференцированный зачет по результатам защиты курсового проекта и экзамен за весь курс в пятом семестре. 1.2.Программа дисциплины 1.2.1. Содержание дисциплины Введение. Определение аналоговых электронных устройств. Принципы их построения, особенности функционирования и области применения. Усилительные устройства и их роль при построении устройств обра­ботки аналоговых сигналов. Краткий исторический обзор развития отечественной аналоговой техники. Тенденции ее развития. Значе­ние дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для подготовки бакалавров; ее содержание и связь с другими дис­циплинами учебного плана. Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, требования, предъявляемые к аналоговым электронным устрой­ствам. Показатели и характеристики, определяющие усиление, преоб­разование и искажения аналоговых сигналов. Входные и выходные по­казатели, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, фазовая характеристика, амплитудная характеристика, коэффициент нелинейных искажений и переходная характеристика аналоговых электронных устройств (АЭУ). Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых электронных устройств. Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели и ха­рактеристики усилительных устройств и аналоговых устройств, пос­троенных на их базе, а также на чувствительность этих устройств к изменению параметров их элементов. Устойчивость устройств, охва­ченных отрицательной обратной связью, и ее оценка с помощью раз­личных критериев. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току. Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей. Обеспечение необходимого режима работы транзисторов по пос­тоянному току с помощью простейших цепей. Влияние условий эк­сплуатации и разброса значений параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току; необходимость стабилизации тока покоя выходной цепи транзистора. Генераторы стабильного тока СГСТЭ и их использование для обеспечения стабилизации токов покоя транзисторов. Расчет значе­ний сопротивлений резисторов ГСТ, при которых обеспечиваются за­данные значения его тока покоя и дифференциального сопротивле­ния. Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току с помощью отрицательной обратной связи. Цепи, обеспечивающие ста­билизацию в одиночных каскадах. Обеспечение и стабилизация режи­ма работы транзисторов по постоянному току в многокаскадных ус­тройствах с непосредственной связью между каскадами; дрейф нуля. Каскады предварительного усиления. Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиле­ния, и особенности их анализа, связанные с малым уровнем входно­го сигнала, при котором нелинейность характеристик транзистора можно не учитывать. Применение эквивалентных схем для анализа каскадов предвари­тельного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при анализе этих каскадов. Построение эквивалентных схем рассмат­риваемых аналоговых электронных устройств. Применение ЭВМ для расчета аналоговых электронных устройств по полным эквивалентным схемам. Упрощение эквивалентных схем для проведения расчетов, не связанных с применением ЭВМ. Применение усилительных элементов, состоящих из нескольких транзисторов (составных транзисторов). Усилительные каскады с транзисторами, включенными с общим эмиттером и общим истоком. Резисторные каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы. Применение ди­намической нагрузки. Коэффициент усиления, частотные характерис­тики каскада в области верхних частот и переходные характеристи­ки в области малых времен. Площадь усиления резисторного каскада. Применение цепей коррекции для увеличения площади усиления и получения частотных и переходных характеристик заданной формы. Усилительный каскад с транзистором, включенным с общим кол­лектором и общим стоком. Эмиттерный и истоковый повторители. Усилительный каскад с транзистором, включенным с общей базой. Чувствительность характеристик резисторного каскада к изме­нению значений параметров его элементов. Дифференциальный усилительный каскад. Основные свойства и расчет этого каскада. Коэффициенты усиления по дифференциальному и синфазному сигналам. Относительное ослабление синфазной состав­ляющей сигналов. Дифференциальные усилительные каскады с повышен­ным значением коэффициента усиления и входного сопротивления. Применение токового зеркала в дифференциальном каскаде. Частотные искажения в области нижних частот и искажения вершины прямоугольного импульса, возникающие в резисторных каскадах переменного тока вследствие наличия разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в эмиттерной (истоковой) цепи уси­лительного элемента. Входные каскады усилителей предварительного усиления и их шумовые свойства. Выходные усилительные каскады. Требования, предъявляемые к выходным каскадам усиления и особенности их расчета, обусловленные использованием большого участка передаточной характеристики, нелинейность которой необхо­димо учитывать. Режимы работы усилительных элементов в усилительных каска­дах. Коэффициент полезного действия и допустимая мощность рассея­ния на транзисторе с учетом температуры окружающей среды и нали­чия радиатора. Однотактные каскады. Построение выходных динамических характеристик. Определение нелинейных искажений. Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свой­ства двухтактных каскадов. Применение режимов В и АВ. Нелинейные искажения в двухтактных каскадах. Бестрансформаторные двухтак­тные каскады. Операционные усилители. Значение операционных усилителей в современной радиоэлектро­нике. Основные показатели операционных усилителей и предъявляе­мые к ним требования. Типовые структуры и каскады операционных усилителей. Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация. Макромодели операционных усилителей. Применение обратных связей для создания устройств аналоговой обработки сигналов. Обеспече­ние устойчивости операционных усилителей, охваченных обратной связью. Инвертирующие и неинвертирующие усилители с заданным точ­ным значением коэффициента усиления; повторители напряжения. Устройства, осуществляющие суммирование, вычитание, дифференциро­вание, интегрирование, логарифмирование и антилогарифмирование. Аналоговые перемножители и делители. Основные применения. Активные RC-фильтры. Аппроксимация амплитудно-частотных характеристик фильтров. Способы реализации активных RC-фильтров. Каскадная реализация фильтров на базе звеньев первого и второго порядков. Звенья фильтров, в которых используются частотно-зависимые цепи отрица­тельной или положительной обратной связи. Заключение. Направления и перспективы развития аналоговых электронных устройств. ЛЕКЦИЯ 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Источник вторичного электропитания (ИВП) - это электронное устройство, предназначенное для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию частоты, уровня и стабильности, значения которых согласованы с требованиями, предъявляемыми конкретными электронными устройствами (ЭУ). В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного или постоянного тока. Возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены. Причина в том, что современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем, требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня ±(5-15)В. Отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ±(5-10)%. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств или аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1- 0,01%). Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено: - несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, поскольку промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50Гц, в то время как ЭУ в основном используют для питания напряжение постоянного тока, то есть напряжение с частотой, равной нулю; - несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значение напряжения промышленной сети равно 220В или 380В, а напряжение аккумуляторной батареи 12В, что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования ИС; - несовпадением стабильностей напряжений, так как промышленная сеть допускает статические (долговременные) отклонения напряжения в диапазоне от 15% до 20%, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС. Следует отметить, что колебания напряжения питания должны рассматриваться в качестве внешнего возмущения, воздействующего на работу ЭУ и системы в целом. Изменение этого напряжения существенно влияет на их технические характеристики. Так, например, в усилителях постоянного тока следствием изменения питания является дрейф нуля выходного напряжения, а в усилителях переменного тока значение напряжения питания определяет уровень вносимых искажений. Это обуславливает необходимость применения специального электронного устройства, согласующего частоты, уровни стабильности напряжения. Устройства согласования частоты в зависимости от вида преобразуемой энергии подразделяются на два основных класса: - выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение); - инверторы - преобразователи постоянного напряжения в переменное с заданной формой и частотой. Устройства согласования уровня напряжения предназначаются для преобразования как постоянного, так и переменного напряжения одного уровня в напряжения другого уровня. Устройства согласования стабильности напряжения можно разделить на два основных класса; - сглаживающие фильтры - устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного пульсирующего напряжения (тока); - стабилизаторы - устройства, стабилизирующие среднее значение выходного напряжения, тока и мощности. В соответствии со сказанным обобщенную структурную схему ИВП можно представить в виде последовательного соединения блоков : • Устройство согласования уровня   • Устройство согласования частоты • Устройство согласования стабильности Следует отметить, что с точки зрения конечного результата - согласования параметров напряжения – последовательность включения указанных блоков может быть произвольной и определяется дополнительными требованиями к ИВП, а также используемыми схемотехническими решениями отдельных блоков. Приведена наиболее типичная структурная схема ИВП, предназначенного для преобразования напряжения промышленной сети в постоянном напряжение. • Трансформатор (Т)   • Выпрямитель (В) • Сглаживающий Фильтр (Ф) • Стабилизатор (Ст) В этой схеме последовательно происходит согласование уровня, затем частоты и, наконец, стабильности входного и выходного напряжений. Следует заметить, что представление ИВП в виде каскадного соединения трех функциональных законченных блоков является условным. В конкретной структуре часто невозможно выделить законченные функциональные блоки, выполняющие только один из указанных выше типов преобразования (согласования) напряжений. Однако такое представление позволяет четко сформулировать требования, предъявляемые к ИВП, определить место в составе электронных систем и основные характеристики. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Перечислите элементы структурной схемы ИВП 2. Перечислите элементы обобщенной структурной схемы ИВП 3. Дайте определение - сглаживающие фильтры  4. Дайте определение- стабилизаторы 5. Дайте определение-инверторы ЛЕКЦИЯ 3. СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Организация производства радиоэлектронной аппаратуры определяется технологией производства РЭА. Технология – прикладная наука, изучающая основные операции и закономерности, действующие в процессе производства, и использующая их для получения изделий требуемого качества, заданного количества и номенклатуры при минимальных материальных, энергетических и трудовых затратах. организация производства радиоэлектронной аппаратуры [ Современное предприятие – это система управления производством, основанная на использовании экономико-математических методов, теории информации, системно - комплексного подхода, организационной и электронно-вычислительной техники. С производственно-хозяйственной точки зрения предприятие есть относительно обособленное образование, в котором предполагаются социальное, производственно-техническое, организационно-административное единство и финансово-экономическая самостоятельность. Социальное единство предполагает формирование коллектива работников, состоящего из различных групп всех специальностей, необходимых для производства определенной продукции. Производственно-техническое единство предусматривает соответствие основных фондов предприятия (оборудования и площадей) характеру определенной деятельности. Организационно-административное единство предполагает наличие единого управленческого аппарата и наличия единой для предприятия системы документооборота. Финансово-экономическая самостоятельность означает единство материальной базы предприятия в виде имущества и финансов и рентабельность работы. Производственный процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных основных, вспомогательных и обслуживающих процессов в целях создания определенной продукции (рис. 10.1.1). Основные производственные процессы – это процессы, в ходе которых происходит непосредственное изменение форм, размеров, свойств, внутренней структуры предметов труда и превращение их в готовую продукцию. К вспомогательным производственным процессам относятся такие процессы, результаты которых используются либо непосредственно в основных процессах, либо обеспечивают их бесперебойное и эффективное протекание (подготовка инструментов и оснастки, производство всех видов энергии, сжатого воздуха, и т. д.). Обслуживающие производственные процессы – это процессы труда по оказанию услуг, необходимых для осуществления основных и вспомогательных производственных процессов (складские и транспортные операции, контроль качества продукции и др.). Производственные процессы протекают в разных стадиях (фазах). Стадия – это обособленная часть производственного процесса, когда предмет труда переходит в другое качественное состояние (материал в заготовку, заготовка – в деталь и т. д.). Основные производственные процессы протекают в заготовительной, обрабатывающей, сборочной и регулировочно-настроечной стадиях. Сборочная (сборочно-монтажная) стадия – это производственный процесс, в результате которого получаются сборочные единицы (узлы, блоки) или готовые изделия. Различают две организационные формы сборки: стационарную и подвижную. При стационарной сборке изделие изготавливается на одном рабочем месте. При подвижной сборке изделие создается в процессе его перемещения от одного рабочего места к другому. Заключительная регулировочно-настроечная стадия проводится с целью получения необходимых технических параметров готового изделия. В качестве орудий труда на этой стадии выступают контрольно-измерительная аппаратура и специальные стенды для испытаний. Составными элементами стадий основного и вспомогательного процессов являются технологические операции (ТО). Операция – часть производственного процесса, которая, как правило, выполняется на одном рабочем месте без переналадки оборудования одним или несколькими работниками. Технологические операции состоят из установов (часть ТО при неизменном закреплении детали или узла) и переходов. Технологический переход – законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке. Вспомогательный переход не сопровождается изменением формы или состояния заготовки, но необходим для выполнения технологического перехода (установка заготовки, ее закрепление и т.д.). Рабочий ход – законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки и сопровождающееся изменением свойств или формы заготовки. Вспомогательный ход (холостой ход) – законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки и не сопровождающееся изменением свойств или формы заготовки. В зависимости от степени технического оснащения производственного процесса различают ручные операции, автоматизированные и автоматические. Организация производства обеспечивает движение предметов труда в производственном процессе таким образом, что результат труда одного рабочего места становится исходным предметом для другого. Рациональная связь между основными, вспомогательными и обслуживающими процессами, между рабочими местами в целом по предприятию во многом определяет результаты его производственно-хозяйственной деятельности, экономические показатели его работы, себестоимость продукции и рентабельность производства. Принципы организации производственных процессов. При всем многообразии производственных процессов их организация подчиняется некоторым общим принципам. Принцип дифференциации предполагает разделение производственного процесса на отдельные технологические процессы, которые в свою очередь подразделяются на операции, переходы, приемы. При этом анализ особенностей каждого элемента позволяет выбрать наилучшие условия для его осуществления. Поточное производство многие годы развивалось за счет все более глубокой дифференциации технологических процессов. Выделение непродолжительных по времени выполнения операций позволяло упрощать организацию и технологическое оснащение производства, увеличивать производительность труда. Однако чрезмерная дифференциация приводит к излишним затратам на перемещение предметов труда между рабочими местами, установку, закрепление и снятие их с рабочих мест после окончания операций. При использовании современного высокопроизводительного гибкого оборудования (станки с ЧПУ, обрабатывающие центры, роботы и т. д.) действует принцип концентрации операций и интеграции производственных процессов. Концентрация предполагает выполнение нескольких операций на одном рабочем месте (универсальное многоцелевое сборочное оборудование). Интеграция заключается в объединении основных вспомогательных и обслуживающих процессов. Принцип специализации обусловливает выделение на предприятии цехов, участков, линий и отдельных рабочих мест, которые изготавливают продукцию ограниченной номенклатуры. Сокращение номенклатуры выпускаемой продукции, как правило, приводит к улучшению всех экономических показателей, в частности, к повышению уровня использования основных фондов предприятия, снижению себестоимости продукции, механизации и автоматизации производственных процессов. Принцип пропорциональности предполагает равную пропускную способность всех производственных подразделений. Нарушение этого принципа приводит к возникновению «узких» мест в производстве или, наоборот, к неполной загрузке отдельных рабочих мест, участков, цехов, к снижению эффективности функционирования всего предприятия. Принцип прямоточности означает такую организацию производственного процесса, при которой обеспечиваются кратчайшие пути прохождения деталей и сборочных единиц по всем стадиям и операциям. Поток материалов, полуфабрикатов и сборочных единиц должен быть без встречных и возвратных движений. Это обеспечивается соответствующей планировкой расстановки оборудования по ходу технологического процесса. Классическим примером такой планировки является поточная линия. Принцип непрерывности означает, что работники трудятся без простоев, а оборудование работает без перерывов. Наиболее полно этот принцип проявляется в массовом или крупносерийном производстве при организации поточных методов производства, в частности при организации одно- и многопредметных непрерывно-поточных линий. Этот принцип обеспечивает сокращение цикла изготовления изделия и способствует повышению эффективности производства. Принцип автоматичности предполагает максимальное выполнение операций производственного процесса автоматически, только под наблюдением и контролем оператора. Автоматизация процессов приводит к увеличению объемов выпуска изделий, к повышению качества работ, к исключению ручного труда на работах с вредными условиями. Особенно важна автоматизация обслуживающих процессов. Общий уровень автоматизации процессов производства определяется долей автоматизированных работ в основном, вспомогательном и обслуживающем производствах. Принцип стандартизации предполагает широкое использование при создании и освоении новой техники и новой технологии стандартизации, унификации, типизации и нормализации, что позволяет избежать необоснованного многообразия в материалах, оборудовании, технологических процессах и резко сократить продолжительность цикла создания и освоения новой техники. Производственный цикл изготовления изделий. При преобразовании предметов производства в конкретное изделие они проходят через множество основных, вспомогательных и обслуживающих процессов, протекающих параллельно, параллельно - последовательно или последовательно во времени в зависимости от сложившейся на предприятии производственной структуры, типа производства, уровня специализации производственных подразделений, форм организации производственных процессов. Совокупность этих процессов, обеспечивающих изготовление изделия, принято называть производственным циклом, основными характеристиками которого являются его продолжительность и структура. Продолжительность производственного цикла изготовления продукции – это календарный период времени, в течение которого материалы, полуфабрикаты и комплектующие изделия превращаются в готовую продукцию. Продолжительность производственного цикла, как правило, выражается в календарных днях. Знание продолжительности производственного цикла необходимо для составления производственной программы предприятия и его подразделений, для определения сроков начала производственного процесса (запуска) по данным сроков его окончания (выпуска) и для расчетов нормальной величины незавершенного производства. Продолжительность производственного цикла зависит от времени трудовых и естественных процессов, а также от времени перерывов в производственном процессе (рис. 10.1.2). В течение трудовых процессов выполняются технологические и нетехнологические операции. К технологическим относятся операции, в результате которых изменяются внешний вид и внутреннее содержание предметов труда, а также подготовительно - заключительные работы. Их продолжительность зависит от типа производства, его технической оснащенности, прогрессивности технологии, приемов и методов труда и других факторов. Время выполнения технологических операций в производственном цикле составляет технологический цикл (Тц). Время выполнения одной операции, в течение которого изготавливается одна деталь, партия одинаковых деталей или несколько различных деталей, называется операционным циклом (Топ). К нетехнологическим относятся операции по транспортировке предметов труда и контролю качества продукции. Естественными считаются такие процессы, которые связаны с охлаждением деталей после термообработки, с сушкой после окраски деталей или других видов покрытия и со старением металла. Перерывы в зависимости от вызвавших их причин могут быть подразделены на межоперационные (внутрицикловые), межцеховые и междусменные. Межоперационные перерывы обусловлены временем партионности и ожидания и зависят от характера обработки партии деталей на операциях. Перерывы партионности происходят потому, что каждая деталь, поступая на рабочее место в составе партии аналогичных деталей, пролеживает один раз до начала обработки, а второй раз по окончании обработки, пока вся партия не пройдет через данную операцию. Перерывы ожидания вызываются несогласованной продолжительностью смежных операций технологического процесса. Эти перерывы возникают в тех случаях, когда предыдущая операция заканчивается раньше, чем освобождается рабочее место, предназначенное для выполнения следующей операции. Межцеховые перерывы обусловлены тем, что сроки окончания производства составных частей деталей сборочных единиц в разных цехах различны и детали пролеживают в ожидании комплектности. Это пролеживание (перерывы комплектования) происходит при комплектно-узловой системе планирования, т. е. тогда, когда готовые заготовки, детали или узлы должны «пролеживать» в связи с незаконченностью других заготовок, деталей, узлов, входящих совместно с первыми в один комплект. Как правило, такие перерывы возникают при переходе продукции от одной стадии производства к другой или из одного цеха в другой. Междусменные перерывы обусловлены режимом работы предприятия и его подразделений. К ним относятся выходные и праздничные дни, перерывы между сменами и обеденные перерывы. Структура и продолжительность производственного цикла зависят от типа производства и уровня организации производственного процесса. Для изделий РЭА характерна высокая доля технологических операций в общей продолжительности производственного цикла. Сокращение времени трудовых процессов в части операционных циклов достигается путем совершенствования технологических процессов, а также повышения технологичности конструкции изделия, под которой понимают максимальное приближение конструкционных особенностей изделия к способам реализации этих особенностей в производстве. Продолжительность транспортных операций может быть уменьшена механизацией и автоматизацией подъема и перемещения продукции. Наладку оборудования необходимо выполнять в нерабочие смены и в перерывы. Продолжительность естественных процессов уменьшается за счет замены их технологическими операциями. Например, естественная сушка окрашенных деталей может быть заменена индукционной сушкой поле токов высокой частоты с ускорением процесса в 5-7 раз. Время межоперационных перерывов может быть уменьшено в результате перехода от последовательного к последовательно-параллельному и параллельному виду движений предметов труда. Оно может быть сокращено за счет организации цехов и участков предметной специализации. Производственная структура предприятия. В соответствии со структурой производственного процесса на любом предприятии радиоэлектронного приборостроения различают основные, вспомогательные и побочные цехи и обслуживающие хозяйства. Цех – подразделение предприятия, состоящее из производственных и вспомогательных участков. Цех выполняет определенные производственные функции, обусловленные характером кооперации труда внутри предприятия. На большинстве промышленных предприятий цех является основной структурной единицей. Часть мелких и средних предприятий может быть построена по бесцеховой структуре, с делением на производственные участки. К цехам основного производства относятся цехи, изготовляющие основную продукцию предприятия: заготовительные (литейные, кузнечно-прессовые и др.), обрабатывающие (механической обработки деталей, холодной штамповки, термические, гальванические, и др.), - сборочные (узловой и генеральной сборки, монтажные, регулировочно-настроечные и др.). К вспомогательным относятся цехи обслуживания основных цехов: оснащают их инструментом и приспособлениями, обеспечивают запасными частями для ремонта оборудования и проводят плановые ремонты, обеспечивают энергетическими ресурсами. Важнейшими из этих цехов являются инструментальные, ремонтно-механические, ремонтно - строительные, и др. Подсобные цехи осуществляют подготовку материалов для основных цехов, а также изготовляют тару для упаковки продукции. Кроме цехов, крупные предприятия имеют также обслуживающие хозяйства: складское, транспортное, и пр. Объемом и номенклатура выпуска продукции имеют решающее влияние на производственную структуру предприятия. Чем больше объем выпуска продукции, тем, как правило, уже специализация цехов. Чем уже номенклатура продукции, тем проще структура предприятия. Формы специализации производственных подразделений определяют конкретный состав технологически и предметно специализированных цехов, участков предприятия, их размещение и производственные связи между ними. Экономически целесообразные формы кооперирования предприятия с другими предприятиями позволяют также реализовывать часть производственных процессов вне данного предприятия. Структура предприятия должна обеспечивать рациональное и эффективное сочетание всех звеньев производственного процесса. Многообразие производственных структур приборостроительных предприятий в зависимости от их специализации можно свести к следующим типам: - с полным технологическим циклом, располагающие всей совокупностью заготовительных, обрабатывающих и сборочных цехов; - сборочного типа, выпускающие готовые изделия из деталей и комплектующих, изготовляемых на других предприятиях; - специализированные на производстве заготовок, как правило, на принципах технологической специализации; - подетальной специализации, производящие отдельные детали, блоки, узлы, сборочные единицы. Формы специализации цехов предприятий радиоэлектронного приборостроения зависят от стадий производства, а именно: заготовительной, обрабатывающей и сборочной. Соответственно специализация принимает следующие формы: технологическую, предметную или предметно-технологическую. При технологической форме в цехах выполняется определенная часть технологического процесса из однотипных операций при широкой номенклатуре обрабатываемых деталей. Примером цехов технологической специализации могут служить гальванические, механообрабатывающие, сборочные. Технологическая форма обеспечивает большую гибкость производства при освоении выпуска новых изделий и расширении изготавливаемой номенклатуры без существенного изменения уже применяемых оборудования и технологических процессов. По технологическому принципу формируются цехи на предприятиях единичного и мелкосерийного производства. По мере развития специализации производства, а также стандартизации и унификации изделий и их частей технологический принцип, как правило, дополняется предметным. Предметная форма специализации цехов характерна для заводов узкой предметной специализации. В цехах полностью изготовляются закрепленные за ними детали или изделия узкой номенклатуры, например одно изделие, несколько однородных изделий или конструктивно - технологически однородных деталей. Для цехов с предметной специализацией характерны разнообразные оборудование и оснастка, но узкая номенклатура деталей или изделий. Создание цехов, специализированных на выпуске ограниченной номенклатуры изделий, целесообразно лишь при больших объемах их выпуска. В цехах создается возможность осуществлять замкнутый (законченный) цикл производства. Такие цехи получили название предметно-замкнутых. В них иногда совмещаются заготовительная и обрабатывающая или обрабатывающая и сборочная стадии (например, механосборочный цех). Технологическая и предметная формы специализации в чистом виде используются довольно редко. Чаще всего на многих предприятиях радиоэлектронного приборостроения применяют смешанную (предметно-технологическую) специализацию, при которой заготовительные цехи строятся по технологической форме, а обрабатывающие и сборочные цехи объединяются в предметно-замкнутые цехи или участки. В основу формирования производственных участков в цехах может быть положена технологическая или предметная форма специализации. При технологической специализации участки оснащаются однородным оборудованием для выполнения определенных операций. Так, механический цех может включать токарный, фрезерный, револьверный, сверлильный и другие участки. При предметной форме специализации цех разбивается на предметно-замкнутые участки, каждый из которых специализирован на выпуске относительно узкой номенклатуры изделий и реализует законченный цикл их изготовления. Организация предметно - замкнутых участков обусловливает почти полное отсутствие производственных связей между участками, обеспечивает экономическую целесообразность использования высокопроизводительного специализированного оборудования и технологической оснастки, позволяет получать минимальную продолжительность производственного цикла изготовления деталей, упрощает управление производством внутри цеха. основные понятия технологии производства аппаратуры Технологические особенности радиоэлектронной аппаратуры. Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) представляет собой совокупность элементов, объединённых в сборочные единицы и устройства, предназначенные для преобразования и обработки электромагнитных сигналов в диапазоне от инфранизких до сверхвысоких (СВЧ) частот. Объективной тенденцией совершенствования конструкций РЭА является постоянный рост её сложности, что объясняется расширением круга решаемых задач при одновременном повышении требований к эффективности работы. Усложнение схемных и конструкторских решений, функциональных связей вместе со значительным увеличением численности элементов в РЭА создаёт большие трудности при их производстве, особенно при сборке и монтаже аппаратуры, а также наладке и регулировки. Специфические условия обеспечения высокой надёжности РЭА и заданных характеристик в условиях эксплуатации обусловливают высокие требования к качеству используемых материалов, оборудования, а также к технологическим процессам (ТП) изготовления РЭА. Вместе с тем, производство РЭА должно быть экономически эффективно. При проектировании ТП следует предусматривать сокращение длительности и трудоёмкости этапа подготовки производства, капитальных затрат, численности сложных и трудоёмких операций, использование минимального числа единиц оборудования, максимального числа стандартных, унифицированных и типовых сборочных единиц и функциональных узлов РЭА. В настоящее время основными направлениями развития РЭА, позволяющими решать задачи уменьшения габаритов и массы аппаратуры, повышения её надёжности и технологичности, являются микроминиатюризация аппаратуры, повышение степени интеграции и комплексный подход к разработке, конструированию и технологии производства РЭА. Повышение степени интеграции, определяемой числом элементов, приходящихся на единицу площади подложки ИС или размещённых в одном кристалле, изменяет состав и структуру конструктивных уровней компоновки РЭА - увеличивается сложность элементной базы (модулей первого уровня), уменьшается число уровней, снижается сложность конструкции и уменьшаются габаритные размеры устройств. Относительная трудоёмкость производства сборочных единиц РЭА может быть представлена в таком соотношении: механическая обработка - 8...15, сборка - 15...20, электрический монтаж - 40...60, наладка - 20...25% . Следовательно, основными технологическими задачами производства РЭА являются: разработка ИС на уровне ячеек и сборочных единиц РЭА с высокой степенью интеграции и совершенствование технологии их изготовления; повышение плотности компоновки навесных элементов на печатных платах (ПП) и плотности печатного монтажа; совершенствование методов электрического соединения модулей первого, второго, и третьего уровней; механизация и автоматизация сборки и электрического монтажа модулей второго, третьего и четвёртого уровней; развитие автоматизированных и автоматических методов, а также средств наладки и регулировки аппаратуры сложных изделий; автоматизация операций контроля функциональных параметров; создание гибких комплексно-автоматизированных производств, функционирующих совместно с системами автоматизированного проектирования. Основные понятия. Рассмотрим основную терминологию и понятия, относящиеся к раз­работке технологии изготовления и организации производства РЭА. Изделием в производстве называется любой предмет или набор предметов, подлежащих изготовлению. Изделием может быть деталь, сбороч­ная единица, комплекс и комплект. Применительно к РЭА под изделием по­нимается как сама РЭА, так составляющие ее элементы и детали. Деталь - изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций, например ось, клем­ма, рама и т. д. Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии - изготовителе сборочными операциями (свинчи­вание, сварка, пайка, склеивание), например: ячейка, ТЭЗ, разъем, блок и т. д. Комплекс - два или более изделия, несоединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое изделие в комплексе имеет свое назначение, например: измерительный комплекс, вычислительный комплекс, и т. д. Комплект - два или более изделия, несоединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например: ремонтный комплект, комплект запасных частей и т. д. Изделие, имеющее две или более детали, соединенные разъемным или неразъемным соединением, называют узлом. Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых для изготовления изделий РЭА. В состав производственного процесса входят все действия по изготовлению, сборке, контролю качества выпускаемых изделий; хранению и перемещению его деталей, полуфабрикатов и сборочных единиц на всех стадиях изготовления; организации снабжения и обслуживания рабочих мест, участков и цехов; управлению всеми звеньями производства, а также комплекс мероприятий по технологической подготовке производства. Производственный процесс делится на основной и вспомогательный. К основному производственному процессу относят процессы по изготовле­нию продукции; к вспомогательному - процес­сы складирования, транспортировки, ремонта, энерго- и водоснабжения и др. Технологический процесс (техпроцесс) - часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением со­стояния предмета труда с превращением его в готовую продукцию. Технологические процессы строят по отдельным методам их выполнения (процессы литья, механической и термической обработки, покрытий, сборки, монтажа и контроля РЭА) и разделяют на операции. Технологическая операция - это законченная часть ТП, выполняемая на одном рабочем месте, над одним или несколькими изделиями, одним или несколькими рабочими. Условие непрерывности операции означает выполнение предусмотренной работы без перехода к изготовлению или сборке изделия. Например, подготовка ленточных проводов к монтажу включает в себя мерную резку, удаление изоляции с определённых участков провода, нанесение покрытия на оголённые токоведущие жилы. Состав операции устанавливают не только на основе технологических соображений, но и с учётом организационной целесообразности. Технологическая операция (ТО) является основной единицей производственного планирования и учёта. На основе операций оценивается трудоёмкость изготовления изделий, устанавливаются нормы времени и расценки, определяется требуемое количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструментов, ведётся планирование производства и контроль качества работ. В условиях автоматизированного производства под операцией следует понимать законченную часть ТП, выполняемую непрерывно на автоматической линии. При гибком автоматизированном производстве непрерывность выполнения операции может нарушаться, например, направлением собранного полуфабриката, электронного узла на промежуточный склад-накопитель в периоды между отдельными позициями, выполняемыми на разных технологических модулях. Кроме технологических операций в состав ТП включают ряд необходимых для его осуществления вспомогательных операций (транспортных, контрольных, маркировочных и т. п.). Технологические операции, в свою очередь, делят на установы, позиции, переходы, приёмы. Установ или установка - часть технологической операции, выпол­няемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки (заготовок) или собираемой сборочной единицы. Технологический переход (переход) - законченная часть техноло­гической операции, характеризуемая постоянством применяемого инстру­мента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке. Вспомогательный переход - законченная часть технологической операции, которая не сопровождается изменением формы или состояния заготовки, но необходима для выполнения технологического перехода. На­пример, установка заготовки, ее закрепление и т. д. Проход - часть перехода, заключающаяся в снятии одного слоя ма­териала с обрабатываемой поверхности. Рабочий ход - законченная часть перехода, состоящая из однократ­ного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки. Вспомогательный ход - законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки без изме­нения формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки. Холостой ход - то же, что и вспомогательный ход для станков-автоматов. Позиция - каждое новое положение заготовки относительно инст­рументов при неизменном ее закреплении в приспособлении. Например, по­воротное многопозиционное приспособление. Прием - это законченная совокупность действий человека в процессе выполнения работы или подготовки к ней, объединённых одним целевым назначением (пуск станка, выключение и т. п.). Рабочее место - часть производственной площади, оснащенной ос­новным технологическим и вспомогательным оборудованием и средствами, закрепленными для выполнения операции. Такт выпуска - интервал времени, через который производится вы­пуск изделий. Например, 1 компьютер через 10 мин. Ритм выпуска (производительность) - обратная величина такта - количество изделий в единицу времени. Типы производства. В зависимости от номенклатуры, регулярности, стабильности и объёма выпуска изделий выделяют три основных типа производства продукции - единичное, серийное и массовое. Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры и единичным или малым объёмом выпуска изделий. При этом под объёмом выпуска подразумевается количество изделий определённых наименований, типоразмера и исполнения, изготовляемых предприятием или его подразделениями в течение планируемого интервала времени, процесс изготовления которых не повторяется или повторяется через неопределенный промежуток време­ни. На предприятиях единичного производства количество выпускаемых изделий и размеры операционных партий заготовок и сборочных единиц, поступающих на рабочие места для выполнения технологических операций, исчисляются штуками и десятками штук. На рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или неповторяющиеся совсем, используется универсальное точное оборудование. Специальные инструменты и приспособления, как правило, не применяют, уровень механизации низкий. Взаимозаменяемость деталей и узлов во многих случаях отсутствует, широко распространена пригонка по месту. Все это требует высокой квалификация рабочих, т.к. от неё существенно зависит качество выпускаемой продукции. Всеми этими факторами определяется также и высокая себестоимость аппаратуры. Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых перио­дически повторяющимися партиями. В зависимости от количества изделий в партии различают мелко- , средне- и круп­носерийное производство. Выпуск партий еженедельный, ежемесячный или еже­квартальный. Объём выпуска изделий серийного типа колеблется от десятков и сотен до тысяч единиц. Для серийного производства характерно использование универсального, специализированного и автоматизированного оборудования и оснастки, для крупносерийного производства используют специальное и автоматическое оборудование. Оборудование расставляется по технологическим группам с учётом направления основных грузопотоков цехов по предметно - замкнутым участкам. Технологическая оснастка в основном универсальная, однако, во многих случаях (особенно в крупносерийном производстве) используется специальная высокопроизводительная оснастка. Для многономенкла­турного серийного производства экономически выгодно использование гибких производственных систем (ГПС), для которых используют автоматизирован­ную систему технологической подготовки производства (АСТПП), автомати­зированную систему управления технологическими процессами (АСУТП). Средняя квалификация рабочих в серийном производстве обычно ниже, чем в единичном, т.к. наряду с рабочими высокой квалификации, работающими на сложном универсальном оборудовании, используются рабочие-операторы, работающие на настроенных станках, а произ­водительность труда выше, чем при единичном производстве. В зависимости от объёма выпуска и особенностей изделий обеспечивается частичная взаимозаменяемость деталей и групповая взаимозаменяемость сборочных единиц, однако в ряде случаев на сборке применяется компенсация размеров и пригонка по месту. Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объёмом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых в течение длительного периода времени. Коэффициент закрепления операций массового производства равен 1, т.е. на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции, требующей использования рабочих невысокой квалификации. При этом используется специальное высокопроизводительное оборудование, которое расставляется по ходу технологического процесса с промежуточными складами - накопителями деталей и сборочных единиц, и во многих случаях связывается конвейерами с постами промежуточного автоматического контроля. Оборудование и оснастка, как правило, специальное, дорогое и высокопроизводительное, требуемая точность достигается методами автоматического получения размеров на настроенных станках при обеспечении взаимозаменяемости обрабатываемых заготовок и собираемых узлов. Для массового производства возможно изго­товление продукции на автоматических линиях, цехах и даже автоматиче­ских заводах. Технологические процессы в производстве РЭА. В производстве элементов, сборочных единиц и устройств РЭА используется большой комплекс ТП, основанных на различных физических и химических методах обработки материалов. Производство печатных плат (ПП) основано на химическом, аддитивном, электрохимическом и комбинированном методах изготовления. Они различаются способами получения рисунка печатного монтажа и токопроводящего слоя. Промышленное применение нашли сеткографический способ офсетной печати, а также способ фотоформирования рисунка как наиболее перспективный при повышении плотности печатного монтажа и уменьшении ширины проводников. Проводящий слой получают травлением, химическим или химико-гальваническим наращиванием. Для указанных методов применяются типовые технологические операции: механическая обработка, нанесение рисунка, травления, химическое или химико-гальваническое осаждение меди, удаление защитной маски. Производство сборочных единиц и модулей РЭА основано на сборке и электрическом монтаже. Электромонтажные работы по получению контактных соединений выполняют различными методами: пайкой, сваркой, склеиванием, накруткой, механическим контактированием, а также электрическим монтажом (печатным, жгутовым, проводным на платах, плоскими кабелями). Механическое контактирование модулей более высоких уровней осуществляют с помощью электрических соединителей (разъёмов). Технология их изготовления построена на типовых операциях холодной листовой штамповки, переработки пластмасс, механической и химической обработки. Создание гибридных тонкоплёночных ИС основано на ТП термического и вакуумного напыления и распыления материалов с помощью ионной бомбардировки. Производство толстоплёночных ИС основано на нанесении элементов способом сеткографической печати, т.е. путём продавливания смеси мелкодисперсных порошков соответствующих материалов (резистивных, диэлектрических, проводящих) через сетчатый трафарет с последующей сушкой, вжиганием и подгонкой толстоплёночных элементов. Виды технологических процессов. Технологические процессы в зависимости от подробности их разработки, типизации, наличия оборудования и объема выпуска изделий классифицируют на следующие виды: • проектный (начальная стадия, много вариантов); • рабочий (конкретный, для работы); • единичный (ТП только на данное изделие, как правило, массовое производство); • типовой (на конструктивно подобные изделия, например, на из­готовление печатных плат); • групповой (на технологически подобные изделия для мелкосерийно­го, многономенклатурного производства); • временный (оперативный), для имеющегося на предприятии обору­дования при изготовлении пробных изделий; • стандартный (обязательный к применению в отрасли, государст­ве. Например, стандартные методики испытания электронно-вычислительной аппаратуры); • перспективный (для вновь разрабатываемых производств или мо­дернизации старых предприятий); • маршрутный; • операционный; • маршрутно-операционный. Последние три определяют степень подробности разработки ТП. Маршрутный процесс определяет порядок (мар­шрут) следования операций, их вид и наименование, оборудование и осна­стку для выполнения операций, трудоемкость выполнения операций и ква­лификацию работников. Для мелкосерийного производства достаточна раз­работка маршрутной технологии. При этом все параметры разработки заносятся в маршрутные карты. Для средне- и крупносерийного, а также массового производств после маршрутной технологии следует разработка операционной технологии, при этом каждая операция разрабатывается подробно, устанавливаются оборудование и оснастка, выбираются или рассчитываются технологические режимы. Операция дробится на технологические переходы, вычерчивается эскиз операции с установочными ба­зами и настроечными размерами. Рассчитывается операционное время (tоп) и устанавливается норма штучного времени (Тшт). Данные раз­работки заносятся в операционные карты. Маршрутно-операционная технология применяется, когда на отдель­ные наиболее сложные операции маршрутной технологии разрабатывается операционная технология. Исходными данными для разработки технологических процессов яв­ляются: • конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи, рабочие чертежи, электрические схемы, монтажные схемы); • технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию, например, маркировка, виды контроля и испытаний; • спецификация на входящие в изделие компоненты; • объем выпуска продукции; • сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально); • наличие технологического оборудования, оснастки; • справочная, нормативная литература, программы. 10.3. организация технологической подготовки производства [2, 3] Рациональная организация производственного процесса невозможна без проведения технологической подготовки производства (ТПП), которая должна обеспечивать полную готовность предприятия к производству изделий РЭА в соответствии с заданными технико-экономическими показателями на высоком техническом уровне с минимальными трудовыми и материальными затратами. Технологическая подготовка производства - совокупность методов организации, управления и решения технологических задач на основе комплексной стандартизации, автоматизации и средств технологического оснащения. Она базируется на единой системе технологической подготовки производства (ГОСТ 14.002-83). Стандарты ЕСТПП устанавливают общие правила организации управления производством, предусматривают применение прогрессивных ТП, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производственных процессов и инженерно-технических и управленческих работ (ГОСТ 14.001-83). Основные задачи планирования ТПП: определение состава, объёма и сроков работ по подразделениям; выявление оптимальной последовательности и рационального сочетания работ. Изготавливаемые блоки, сборочные единицы и детали РЭА распределяют по производственным подразделениям, определяют трудовые и материальные затраты, проектируют технологические процессы и средства оснащения. При этом решают следующие задачи. 1. Отработка конструкции изделия на технологичность. Ведущие технологи проводят технологический контроль конструкторской документации, оценку уровня технологичности конструкции изделия, отработку конструкции изделия на технологичность. 2. Прогнозирование развития технологии. Изучение передового опыта в области технологии и подготовка рекомендаций по его использованию. Проведение лабораторных исследований по новым технологическим решениям, выявленным в процессе прогнозирования. 3. Стандартизация технологических процессов. Проводится анализ конструктивных особенностей деталей, сборочных единиц и их элементов, обобщение результатов анализа и подготовка рекомендаций по их стандартизации, разработке типовых технологических процессов (ТТП). 4. Группирование технологических процессов. Осуществляется анализ и уточнение границ классификационных групп деталей, сборочных единиц, разработка групповых ТП. 5. Технологическое оснащение. Выполняется унификация и стандартизация средств технологического оснащения, выявляется трудоёмкая оригинальная оснастка, определяется потребность в универсальной таре для деталей и сборочных единиц. Проектирование и оснащение рабочих мест проводится согласно групповым и типовым технологическим процессам. 6. Оценка уровня технологии. Определяется уровень технологии на данном предприятии, устанавливаются основные направления и пути повышения уровня технологии. 7. Организация и управление процессом ТПП. Распределение номенклатуры деталей и сборочных единиц между технологическими бюро, выявление узких мест в ТПП и мер по их ликвидации, контроль за выполнением работ по ТПП. 8. Разработка технологических процессов. Разрабатывают новые и совершенствуют действующие единичные ТП и процессы технического контроля заготовок, деталей, сборки и испытания составных частей и изделий в целом, проводят корректировку ТП. 9. Проектирование средств специального технологического оснащения. Выбор вариантов специального технологического оборудования, выпускаемого промышленностью, или разработка технических заданий на его проектирование. Проектирование специального инструмента, приспособлений, штампов, пресс-форм и другой оснастки. 10. Разработка норм. Разработка технически обоснованных норм расхода материалов, затрат труда и времени на выполнение операций. Разработка стоимостных затрат по цехам для обеспечения хозрасчётной деятельности. В зависимости от размеров партий выпускаемых изделий РЭА характер ТПП серийного производства может изменяться в широких пределах, приближаясь к процессам массового (в крупносерийном) или единичного (в мелкосерийном) типа производства. Правильное определение характера проектируемого ТП и степени его технической оснащённости, наиболее рационального для данных условий конкретного серийного производства, является очень сложной задачей, требующей от технолога понимания реальной производственной обстановки и ближайших перспектив развития предприятия. Технологическая подготовка производства РЭА должна содержать оптимальные решения не только задач обеспечения технологичности изделия, проектирования и постановки производства, но и проведения изменений в системе производства, обусловленных последующим улучшением технологичности и повышением эффективности изделий. Поэтому современная ТПП сложных радиоэлектронных изделий должна быть автоматизированной и рассматриваться как органическая составная часть САПР - единой системы автоматизации проектных, конструкторских и технологических разработок. Этапы разработки технологических процессов. Правила разработки техпроцессов определены в рекомендациях Р50-54-93-88. В соответствии с этими правилами разработка ТП состоит из по­следовательности этапов, набор и характер которых зависит от типа запускае­мого в производство изделия, вида ТП, типа производства. В таблице в качест­ве примера приведены этапы разработки ТП монтажа и сборки электронных узлов. Этап Основные задачи этапа Анализ исходных данных Изучение конструкторской документации. Анализ техно­логичности конструкции. Анализ объема выпуска изделия и опре­деление типа производства Выбор типового (базового) ТП Определение места изделия в классификационных группах ТП. Приня­тие решения об использовании действующего ТП Разработка схемы сборки Анализ состава из­делия. Выбор базовой детали или сборочной единицы. Разработка схемы сборки с базовой дета­лью Составление маршрутного ТП Определение последовательности технологических операций. Оп­ределение штучного времени Тшт по заданному коэффициенту за­крепления операций и объему выпуска. Выбор обо­рудования и средств технологического оснащения Разработка тех­нологических операций Разработка структуры операции и последовательности переходов. Разработка схем установки деталей при сборке и монтаже. Выбор средств технологического оснащения. Расчет режи­мов, составляющих Тшт и загрузки оборудования Расчет технико-экономической эффективности Определение разряда работ по классификатору разрядов и профессий. Выбор вариантов операций по технологической себестоимости Анализ ТП с точки зрения техники безо­пасности Выбор и анализ требований по шуму, вибрациям, воз­действию вредных веществ. Выбор методов и средств обеспечения сохранности экологической среды Оформление технологиче­ской докумен­тации Оформление эскизов технологических операций и карт. Оформле­ние карт маршрутного и операционного техпроцессов Разработка ТЗ на специаль­ную оснастку Схема базирования заготовок. Определение погрешно­стей базирования и точности приспособлений. Определение коли­чества заготовок и схемы их закрепления. Составление схем привязки приспособления к оборудованию Средства технологического оснащения производства РЭА включают: технологическое оборудование (в том числе контрольное и испытательное); технологическую оснастку (в том числе инструменты и средства контроля); средства механизации и автоматизации производственных процессов. Технологическое оборудование - это орудия производства, в которых для выполнения определённой части ТП размещаются материалы или заготовки и средства воздействия на них. Технологическая оснастка - это орудия производства, добавляемые к технологическому оборудованию для выполнения определённой части ТП. Средства механизации - это орудия производства, в которых ручной труд человека частично или полностью заменён машинным с сохранением участия человека в управлении машинами. Средства автоматизации - это орудия производства, в которых функции управления выполняют машины, приборы и ЭВМ. Состав технологического оборудования и применяемой технологической оснастки зависит от профиля цехов производства РЭА. Заготовительные цехи оснащены оборудованием для получения заготовок из стандартных профилей и листов для механических цехов, заготовки ПП, заготовки для сборки каркасов блоков, рам, стоек и др. Резку листовых и роспуск рулонов металлических и неметаллических материалов производят в основном гильотинными и роликовыми ножницами. Неметаллические материалы толщиной свыше 2,5 мм режут на специальных станках дисковыми пилами, фрезами, а также абразивными и алмазными отрезными кругами. Холодная штамповка является одним из основных методов получения деталей в производстве РЭА. 50-70% деталей получают холодной штамповкой, при этом трудоёмкость штампованных деталей, несмотря на их высокий удельный вес, составляет всего 8-10% общей трудоёмкости производства. Штамповочные цехи оснащены эксцентриковыми и кривошипными прессами, которые относятся к категории универсального оборудования. В производстве РЭА широкое применение получил метод поэлементной штамповки, который заключается в последовательной обработке простейших элементов деталей (участков наружного контура, внутренних отверстий, пазов и т. д.) на сменных штампах. В последние годы в штамповочное производство внедряют промышленные роботы. Они позволяют механизировать вспомогательные операции (подачу полос, лент и штучных заготовок, съём и учёт деталей и т. д.) по обслуживанию прессов, превратить универсальные прессы в комплексно-автоматизированные агрегаты. Литейный цех, цех изготовления деталей из пластмасс имеют высокопроизводительные машины для литья и прессования, пресс-автоматы. Это оборудование позволяет получать заготовки с минимальными припусками на механическую обработку. Удельный вес механической обработки деталей снятием стружки в производстве РЭА всё ещё велик (30-35% от общей трудоёмкости). С переходом на изготовление аппаратуры новых поколений изменяется качественное содержание механической обработки, она становится более прецизионной. Механические цехи оснащены преимущественно токарными станками и автоматами, универсальными фрезерными и сверлильными станками, шлифовальными станками и др. Механизация и автоматизация в механических цехах развивается по следующим направлениям: максимальное использование токарных автоматов, холодновысадочных автоматов и токарно-револьверных станков; внедрение станков с числовым программным управлением и с использованием роботов для механизации вспомогательных операций; оснащение универсальных станков механизмами, работающими в качестве зажимных, автоматических загрузочных, контрольно-измерительных и прочих устройств; организация для определённых групп деталей небольших поточных линий с замкнутым циклов обработки. После механической обработки на поверхности деталей остаются загрязнения. Ещё более сложными являются вопросы промывки собранных узлов и блоков аппаратуры, удаления остатков паяльных флюсов и других загрязнений, влияющих на надёжность аппаратуры. Совершенствование технологии очистки поверхности деталей и промывки узлов идёт по пути замены взрывоопасных, легковоспламеняющихся и токсичных органических растворителей водными растворами синтетических моющих препаратов и щелочных обезжиривающих растворов. Снижение трудоёмкости очистных операций достигается за счёт применения конвейерных, карусельных моечных машин, ультразвуковых ванн, центрифуг, установок с механизмами вибрационного качания и др. Гальванические цехи в зависимости от экономически целесообразного уровня механизации оснащаются различными видами оборудования: автоматами и автоматическими линиями, обеспечивающими без участия человека передачу деталей (подвесок, барабанов) с одной позиции обработки на другую и выдержку их в ваннах в соответствии с заданной программой обработки; автоматизированными системами управления гальванопокрытиями. Цехи по производству ПП оснащены универсальным оборудованием, разработанным специально для выпуска такого вида продукции. Это механизированные и автоматизированные линии химической, электрохимической обработки, установки для нанесения фоторезистов и сеткографии, станки с ЧПУ для механической обработки, автоматизированные стенды контроля плат. Оборудование с ЧПУ применяют для изготовления фотошаблонов и трафаретов, сверления монтажных отверстий и фрезерования ПП. В цехах лакокрасочных покрытий высокий уровень механизации достигается путём организации технологических поточных линий. Окрасочные и сушильные камеры с ручной установкой деталей заменяются проходными камерами, а в качестве транспортирующих устройств используют конвейеры. Окраска является одним из видов обработки, где роботы нашли применение как автономные агрегаты, самостоятельно владеющие рабочим инструментом-распылителем. Сборочные цехи оснащены как универсальным, так и специальным оборудованием и оснасткой (конвейерные линии и рабочие места электромонтажников, оборудование по подготовке, установке и пайке радиодеталей на ПП, стенды для контроля и регулировки функциональных параметров сборочных единиц и пр.). На оборудовании с ЧПУ производят установку и пайку ИС с планарными выводами, а также осуществляют контроль электрических цепей ячеек. Программное управление обеспечивает автоматизацию проводного монтажа, контроль электрических цепей в модулях всех уровней. Предприятия, выпускающие РЭА на ИС частного применения, оснащены оборудованием, используемым в электронной промышленности: установки для диффузии, ионного легирования, термического окисления, оборудование для термического испарения материалов в вакууме, а также сборки и герметизации ИС. Важным показателем работы оборудования, технологической оснастки и правильности их выбора является степень использования каждого станка и оснастки в отдельности и всех вместе по разработанному процессу. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Организация производства радиоэлектронной аппаратуры. Современное предприятие. Производственный процесс. 2. Принципы организации производственных процессов. Производственный цикл изготовления изделий. Производственная структура предприятия. Формы специализации цехов. 3. Основные понятия технологии производства аппаратуры. Технологические особенности радиоэлектронной аппаратуры. Основные понятия. Типы производства. Технологические процессы в производстве РЭА. 4. Виды технологических процессов. 5. Организация технологической подготовки производства. Основные задачи планирования технологической подготовки. Этапы разработки технологических процессов. Средства технологического оснащения производства РЭА. ЛЕКЦИЯ 4. ПРИНЦИП РАБОТЫ, СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА Схемотехника аналоговых электронных устройств базируется на дисциплинах "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы", "Электроника". Без твердого усвоения принци­пов построения АЭУ невозможно освоить специальные дисциплины. Рассмотрим общую структурную схему АЭУ, которая приведена на рис.2.1. В состав аналоговых электронных устройств входит широкий класс усилителей. Усилителем называется устройство, управляющее переда­чей усиленной энергии от источника питания в нагрузку. Другими словами, усиление сигнала представляет собой процесс преобразова­ния энергии источника питания в результате воздействия на него усиливаемого сигнала через усилительный элемент. Усиливаемый сигнал с незначительной мощностью Рвых управляет мощностью источни­ка питания Ро, отдавая часть этой энергии Рвых в нагрузку. Рис. Общая структурная схема АЭУ. Устройство, с которого снимается усиливаемый сигнал, назы­вается источником сигнала. В радиовещательной аппаратуре источником сигнала могут служить приемная антенна, предыдущий каскад приемника, микрофон, звукосниматель и т.д. Устройство, яв­ляющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой уси­лителя. Нагрузкой усилителя могут быть акустическая система, телефон, последующий каскад усилителя и т.д. Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемого сигнала, назы­вают источником питания. В свою очередь усилительное устройство состоит из входного, предварительного и выходного каскадов Рис Структурная схема усилителя Входной каскад кроме функции усиления выполняет функцию согласования с источником сигнала. Предварительные каскады предназначены для усиления сигнала по напряжению. Выходной каскад, как правило, усиливает сигнал по мощности и выполняет функцию согласования усилителя с внешней нагрузкой. Усилительный каскад можно рассматривать как линейный четырехполюсник, имеющий пару входных и пару выходных зажимов, рис.2.3. Рис. Функциональная схема усилительного устройства. На основании теоремы эквивалентных схем любой источ­ник сигнала, а также выходную цепь усилителя можно охарактеризо­вать напряжением холостого хода Ес и сопротивлением источника сигнала Rс. Источник сигнала подключается к входным клеммам усилителя. Входные и выходные показатели. Со стороны входа усилитель характеризуется входным сопротив­лением Zвх, который имеет в общем случае комплексный характер. Обычно Zвх представляет собой параллельное соединение активной составляющей Rвх и реактивной составляющей, обусловленной вход­ной емкостью Cвх. Таким образом, входная цепь усилителя характе­ризуется входным напряжением Uвх, входным током Iвх, входным соп­ротивлением Rвх, а также входной мощностью Pвх. Выходная цепь усилителя, в которую подключается нагрузка, характеризуется эквивалентной схемой, состоящей из генератора ЭДС и выходного сопротивления Rвых (генератора тока SUвх и вы­ходной проводимости Gвых), а также сопротивлением нагрузки Rн. По этим параметрам легко определить основные выходные данные усили­теля: выходное напряжение Uвых усиленного сигнала на нагрузке, выходной ток Iвых и полезную выходную мощность Рвых, отдаваемую усилителем в нагрузку. Хотя выходное сопротивление и сопротивление нагрузки в общем случае имеют комплексный характер, но в рабочей по­лосе частот усилителя эти сопротивления можно считать чисто ак­тивными Rвых и Rн. При этом условии выходная мощность и напряже­ние усиленного сигнала на нагрузке определяются выражениями (2.1) Выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной. Типовым значением сопротивления нагрузки Rн современных акустических систем является Rн=8 Ом. Высокая верность воспроизведения акустических систем или громкоговорителя может быт только при эффективном демпфировании свободных колебаний подвиж­ной части. Это возможно лишь в случае выполнения условия Rвых Uвхmin и Uс < Uвxmax. Отношение Uвхmax/Uвхmin=Ду есть динамический диапазон усилителя. Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Ду>Дс. Собственные помехи Un состоят из нескольких составляющих: наводки, фон и внутренние шумы. Наводками называют посторонние шумы напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними приборами. Устранение наводок достигает­ся экранированием. Фоном называют напряжение в выходной цепи усилителя с часто­той, кратной частоте сети переменного тока, питающей усилитель. Для устранения фона необходимо улучшить сглаживание напряжения источника питания с помощью стабилизаторов напряжения. Внутренние шумы рассмотрены в последней лекции. Нелинейные искажения. Нелинейные искажения возникают вследствие нелинейности характеристик усилительного элемента. За счет появления кратных гармоник происходит изменение формы выходного сигнала. Нелиней­ные искажения оцениваются коэффициентом гармоник, определяемым по формуле , (2.17) где I1 и In - амплитуда токов 1-й и n-й гармоник. Другим показателем, характеризующим нелинейные искажения, является коэффициент интермодуляционных искажений Кн. При подаче на вход усилителя двух напряжений с частотами f1 и f2 на выходе появятся составляющие с частотами f1, f2, f2-f1 и f2+f1. Коэффициент интермодуляционных искажений определяется отношением амплитуды составляющей разностной частоты к амплитуде выходного напряжения с частотой f1, Кн = Uf2 –f1/Uf1 (2.18) Для усилителей звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса допускаются КГ = 0,5-1%, а в усилителях среднего ка­чества КГ=3-5 %. Переходная характеристика. Переходной характеристикой называют зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход единичного импульса. Переходная характеристи­ка является основной характеристикой импульсного усилителя. По этой характеристике определяются основные количественные показатели: время установления ty, спад плоской вершины сп, выброс переднего фронта  (рис. 2.7). Переходная характеристи­ка. Время установления ty определяется как интервал времени, в течение которого нормированная переходная характеристика h (t) меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9, т.е. ty =t0,9 - t0,1. Спад плоской вершины сп характеризуется искажением переходной характеристики, который определяется сп=1-h(и), где и- длительность усиливоемого импульса. Выброс переднего фронта  появляется при наличии в схеме индуктивных элементов и определяется превышением h (t) над единичным уровнем. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Опишите нелинейные искажения. 2.Дайте понятие фазовая характеристика усилителя 3.Дайте характеристику амплитудно-частотная характеристика 4.Дайте описание функциональной схеме усилительного устройства 5. Дайте характеристику коэффициент усиления ЛЕКЦИЯ 5. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Транзисторные преобразователи напряжения Они подразделяются по способу возбуждения на 2 типа: с самовозбуждением и преобразователи с усилением мощности. Транзисторы могут включаться по схеме с ОЭ, ОК, ОБ, но наиболее широко используются включение с ОЭ, так как в этом случае реализуется максимальное усиление транзисторов по мощности и тем более просто достигаются условия самовозбуждения. Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощных, до нескольких десятков ватт, по однотактным и двухтактным схемам. Простейшая схема однотактного преобразователя представляет собой релаксационный генератор с обратной связью. С обратным включ. диода. С прямым включ. диода. При подключении напряжения питания через резистор на базу транзистора подается опирающий потенциал. Транзистор открывается и через первичную обмотку Wк трансформатора протекает ток, который вызывает магнитный поток в магнитопроводах транзистора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке Wк трансформируется в обмотке обратной связи Wб, полярность подключения которой такова, что она способствует отпиранию транзистора. Когда ток коллектора достигает своего максимального значения: Iк=Iб*h21э, нарастание магнитного потока прекратится, полярность напряжений на обмотках трансформатора изменяется на противоположное и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет прямоугольную форму. Полярность подключения силового диода выпрямителя на вторичной обмотке трансформатора определяет способ передачи энергии в нагрузку. Диод открывается когда закрывается транзистор, заряжается конденсатор, который поддерживает постоянство тока в нагрузке. При прямом включении диода передача энергии источника питания Uп в нагрузку Rн происходит в период времени tu, когда транзистор и силовой диод VD1 открыты. В дросселе запасается энергия W = 0,5*Lф*Iн^2*tu. Конденсатор сглаживающего фильтра Cф при этом заряжается выпрямленным напряжением до Uп. В течении паузы tп, когда транзистор закрыт, цепь тока Iн замыкается через дроссель Lф и блокирующий диод VD2, как и в импульсном стабилизаторе с последовательным регулированием. В однотактных преобразователях трансформатор работает с подмагничиванием, для борьбы с которым можно применять сердечник с зарядом. Однако он не подходит при использовании тор. транзистора. В нашем случае используется блокирующий конденсатор, который в течении паузы tп разряжается через обмотку W1, перемагничивая сердечник током разряда. Емкость Cбл. Выбирается из условия, чтобы при максимальном коэффициенте заполнения φmax длительность паузы tп была не менее четверти периода колебательного контура L, Cбл. Такой преобразователь с обратным включением диода обеспечивает развязку и защиту выходного напряжения от помех по входным шинам питания. Транзисторные преобразователи определяются по следующим формулам: Uп=Uп(Iкм/2Iн-W1/W2) tu = Iкм*L1/Uп tп = Iкм*L2/Uн*W2 φ = fп*Iкм*L1/Uп = tu/(tu+tп) Лучшие массогабаритные показатели имеют двухтактные преобразователи с понижающим трансформатором. Трансформаторы выполняются на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса. Здесь также используется положительная ОС. Генератор работает следующим образом. При включении напряжения питания Uп из-за неидентичности параметров один из транзисторов, например VT1, начинает открываться и его коллекторный ток увеличивается. Обмотки ОС Wб подключены так, что наведенное в них ЭДС полностью открывает транзистор VT1 и закрывает транзистор VT2. Переключение транзисторов начинается в момент насыщения транзистора. Вследствие этого наведенные во всех обмотках трансф. Напряжения уменьшаются до нуля, а затем изменяют свою полярность. Теперь на базу ранее открытого транзистора VT1 подается отрицательное напряжение, а на базу ранее закрытого транзистора VT2 поступает положительное напряжение и он начинает открываться. Этот регенеративный процесс формирования фронта выходного напряжения протекает очень быстро. В дальнейшем процессы в схеме повторяются. Частота переключения зависит от значения напряжения питания, параметров трансформатора и транзисторов и рассчитываются по формуле: fп=((Uп-Uкэ нас)*10000)/4*B*s*Wк*Sc*Kc. Такой режим более экономичен, чем при переключении за счет предельного тока коллектора и работа преобразователя более устойчива. Такие преобразователи используются как задающие генераторы для усилителей мощности и как автономные маломощные источники электропитания. Основные достоинства: простота схемы, а также нечувствительность к короткому замыканию в цепи нагрузки. Недостатком преобразователя с насыщающимся сердечником является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что увеличивает потери а преобразователе. Напряжение на закрытом транзисторе может достигать значения: Uкэm = (2,2 : 2,4)Uпmax два напряжения это сумма Uп+ЭДС на неработающей обмотке, кроме того учитываются выбросы напряжения во время переключения. Для уменьшения последних в схему иногда включают шунтирующие диоды. При преобразовании больших мощностей наибольшее распространение получили преобразователи с использованием усилителя мощности. В качестве задающего генератора можно использовать преобразователи с самовозбуждением. Применение таких преобразователей целесообразно если необходимо обеспечить постоянство частоты и напряжения на выходе, а также неизменность формы кривой переменного напряжения при изменении нагрузки преобразователя. В случае высокого входного напряжения применяют мостовые усилители мощности. Предположим, в первый полупериод одновременно работают транзисторы T1,T2. Во второй T2,T3. Напряжение питания прикладывается к первичной обмотке транзистора, его полярность меняется каждый полупериод. Напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания. Выходной транзистор работает в ненасыщенном режиме, выполняется он из материала с непрямоугольной петли гистерезиса. Преобразователи на тиристорах Тиристоры в отличие от транзисторов имеют одностороннее управление. Для запирания тиристоров в схемах преобразователей используются реактивные элементы в основном в виде коммутирующих конденсаторов. При отпирании первого тиристора емкость заряжается до напряжения 2Uп. При отпирании второго тиристора напряжение конденсатора прикладывается в обратном направлении к первому транзистору, под действием его он запирается. Конденсатор перезаряжается, и напряжение на его обмотках и на первичной обмотке тиристора меняет знак (потенциалы показаны на схеме в скобках). В следующий полупериод вновь отпирается тиристор T1 и процесс повторяется. Для обеспечения запирания тиристоров необходимо, чтобы энергия коммутирующего конденсатора была достаточной для того, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на тиристорах падало достаточно медленно и успело бы обеспечить восстановление их запирающих свойств. Недостатком такого инвертора является сильная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Для уменьшения влияния характера и величины нагрузки на форму и величину выходного напряжения применяют схемы с обратными диодами, которые в свою очередь необходимы для возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и реактивных коммутирующих элементах в источнике питания преобразователя. Источник питания с бестрансформаторным входом Особенностью таких источников являются использование процесса преобразования входного напряжения с использованием высокой частоты. Отсутствие силового транзистора на входе и использование транзисторов на повышенной частоте существенно улучшает массогабаритные характеристики. Функциональная схема ИПБВ на базе регулируемого преобразователя имеет следующий вид: ВЧФ - препятствует проникновению во входные цепи помех от ИПБВ и наоборот. ВУ – выпрямительное устройство, СФ – сглаживающий фильтр; РП – регулируемый преобразователь; ЗГ – синхронизирующий задающий генератор; ГПН – генератор пилообразного напряжения. Работу ИПБВ со стабилизацией входного напряжения с использованием ШИМ легко представлять, рассмотрев диаграммы напряжений на отдельных участках схемы. С целью упрощения регулировки преобразователь как правило строится по однотактной схеме с обеспечением рекуперации части энергии, накопленной в реактивных элементах в источник входного напряжения. На выходе преобразователя при напряжениях 5 - 10В ставят выпрямитель со средней точкой. С целью уменьшения времени коммутации силовых транзисторов на их входах применяют цепи обеспечивающие значительное превышение запирающего напряжения по отношению к отрицательному. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите недостатки инвертора 2.Что такое тиристоры 3.Что такое транзисторы 4.Какие виды транзисторов существует 5.Что используют с целью уменьшения времени коммутации ЛЕКЦИЯ 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ Радиоприемное устройство (РПУ) – важный элемент информационной системы, которая состоит из источника сообщения, кодирующего устройства, модулятора, радиопередающего устройства, канала передачи сигнала, антенно-фидерного устройства, радиоприемного устройства, получателя сообщения. Передача информации по радиоканалу осуществляется модулированным высокочастотным колебанием, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитного поля. На каждый информационный канал отводится определенная полоса частот, соответствующая ширине спектра радиосигнала. Уровень принимаемого сигнала зависит от частоты и вида модуляции, радиотрассы и способов распространения ЭМВ, а также окружающих условий на радиотрассе. Чем больше расстояние между передатчиком и приемником, тем больше ослабление сигнала. При многолучевом распространении происходит ослабление сигналов из-за интерференционного сложения нескольких лучей, в том числе, отражённых от препятствий. При ионосферном распространении сигналов происходит рассеяние энергии на различных неоднородностях, поглощение части энергии сигнала различными слоями. На входе приемника полезный принимаемый сигнал всегда присутствует в аддитивной смеси с внешними помехами. Эффектом, сопоставимым с ослаблением сигналов, может быть распространение волны в условиях сложной электромагнитной обстановки. Наличие преднамеренных помех или случайных мешающих сигналов от радиотехнических и других систем, присутствующих в данном частотном диапазоне, с точки зрения электромагнитной совместимости, уменьшает отношение сигнал/шум. Поэтому основными задачи, решаемыми РПУ являются: 1. Прием слабых сигналов. 1. Фильтрация сигналов на фоне помех от сторонних систем. 3. Усиление слабого сигнала до требуемого уровня. 4. Выделение из принятого сигнала заложенной в нем информации и предоставление её получателю сообщения. Существует несколько признаков классификаций РПУ: По рабочему диапазону частот (длин волн). Различают РПУ сверхдлинных волн (СДВ), длинных волн (ДВ), средних волн (СВ), коротких волн (КВ),ультракоротких волн (УКВ), дециметровых волн (ДMВ), миллиметровых волн. Приёмник, включающий все широковещательные диапазоны (ДВ, СВ, КВ, УКВ) называют всеволновым. В этих диапазонах различны условия распространения радиоволн, а также характер и уровень помех. В диапазоне СВЧ оказывают влияние на радиоприем в основном шумы космического излучения, а в диапазоне УВЧ шумовые помехи атмосферного и промышленного происхождения. Уровень этих помех значительно ограничивает возможность приема слабых сигналов. По назначению РПУ подразделяют на радиовещательные; ТВ – приёмники; РПУ профессионального назначения (радиолокационные РПУ, радионавигационные, РПУ систем связи, панорамного радиомониторинга, для систем радиоуправления, измерительные и др.). По виду модуляции, применяемой в канале передачи: аналоговая (амплитудная, частотная, фазовая), цифровая; По применённой элементной базе: на кристаллическом детекторе, ламповые, транзисторные, на микросхемах; По исполнению: автономные и встроенные (в состав др. устройства); По месту установки: стационарные, носимые; По способу питания: сетевое, автономное или универсальное. Обобщенная структурная схема РПУ показана на рис.1.1. Рис.1.1 Структурная схема РПУ С помощью приёмной антенны происходит преобразование ЭМВ в электрические сигналы. В усилительном тракте (УТ) происходит выделение полезных сигналов из аддитивной смеси поступающих от антенны сигналов и помех и усиление полезных сигналов до уровня также обеспечивает заданный динамический диапазон по уровню входных сигналов и совместно с трактом управления (ТУ) поддерживает характеристики РПУ в заданных пределах при изменении условий приема. Хотя в УТ с полезным сигналом могут производиться нелинейные процедуры - смещение спектра, ограничение амплитуды и др., в принимаемое сообщение этот тракт существенных искажений не должен вносить и в этом смысле является линейным. Поэтому также вместо термина УТ используют понятие линейный тракт приемника (ЛТП). В информационном тракте (ИТ) происходит извлечение из принятого сигнала заложенного в нем сообщения (демодуляция). Гетеродинный тракт (ГТ) содержит собственный или внешний опорный генератор электромагнитных колебаний (гетеродин) и формирует дискретные множества частот, необходимые для преобразования частоты в УТ, для работы следящих систем и цифровых устройств обработки сигнала в ИТ. Гетеродинный тракт используется для перестройки РПУ по частоте. Тракт управления позволяет осуществлять ручное, дистанционное и автоматизированное управление режимом работы РПУ (включение и выключение, поиск сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и др.) и отображает качество его работы на соответствующих индикаторах. В оконечном устройстве энергия выделенного сигнала используется для получения наглядного отображения сообщения - акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство) и др. Существуют радиотехнические системы (РТС), в которых РПУ содержат несколько УТ и содержат несколько приёмных антенн (многоканальные РПУ). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое гетеродинный тракт 2. Что такое информационный тракт 3. Радиоприемное устройство (РПУ) - это 4. Что такое тракт 5.Перечислите основные основными задачи, решаемыми РПУ ЛЕКЦИЯ 7. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающие устройства, функции которого включаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управлении этими колебаниями. Эти колебания с помощью антенны излучаются в пространство в виде радиоволн.Начало развития техники радиопередающих устройств относится к 1896 г., когда А. С. Попову удалось передать первую радиограмму на расстояние 250 м. В дальнейшем, используя на передатчике антенну, А. С. Попов смог увеличить дальность радиосвязи к 1897 г. до 5 км, а к 1899 г. до 45 км. В радиопередатчике А. С. Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты — с помощью искрового разряда. Отсюда название таких передатчиков — искровые. Процесс излучения энергии происходит в передатчике не непрерывно. Каждый пробой искрового промежутка в антенне приводит к возникновению быстрозатухающих колебаний (антенный контур имеет малую добротность). При этом антенна служит не только элементом, излучающим электромагнитную энергию, но и элементом, определяющим частоту радиочастотных колебаний. Первые искровые передатчики излучали колебания исключительно широкого спектра, что, естественно, создавало помехи соседним радиолиниям. Для повышения добротности антенной колебательной системы (а, следовательно, уменьшения затухания высокочастотных колебаний) позднее разрядник был перенесен в дополнительный колебательный контур, индуктивно связанный с антенным контуром. Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во втором десятилетии XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении и других принципов. Так, были получены незатухающие радиочастотные (РЧ) колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге (так называемые дуговые радиопередатчики). В указанных передатчиках использовалось наличие падающего участка вольт-амперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в контуре генератора сопротивление потерь, в результате чего в нем возникают незатухающие колебания. Поэтому спектр излучения дуговых передатчиков уже, чем искровых. Радиотелеграфные сигналы передавались изменением частоты РЧ колебаний с помощью замыкания и размыкания части витков катушки индуктивности колебательной системы. Незатухающие колебания генерировались также с помощью электромашин высокой частоты (так называемые машинные передатчики). К концу 1914 г. дуговые и машинные радиопередатчики практически полностью вытеснили искровые. В нашей стране мощные дуговые передатчики были построены под руководством В.М. Лебедева и М.В. Шумейкина. Один из них мощностью 110 кВт в 1920 г. был установлен в Москве. В развитии техники машинных радиопередатчиков важную роль сыграли работы В. П. Вологдина, под руководством которого было создано несколько мощных машинных радиостанций. Машины В. П. Вологдина мощностью 50 и 150 кВт использовались на Ходынской радиотелеграфной станции в Москве в 1924—1925 гг. Как дуговые, так и машинные радиопередатчики имели ряд существенных недостатков: сложность генерирования, усиления и управления РЧ колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей, низкая стабильность частоты, сложность проектирования и изготовления и т.д. Поэтому к 30-м годам указанные радиопередатчики были полностью вытеснены ламповыми. Ламповые радиопередатчики впервые появились в 1914—1916 гг. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 г. Н.Д. Папаклеси для передатчика в Царском Селе. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, организованная в 1918 г. Сотрудниками этой лаборатории являлись лучшие специалисты в области радио: М.А. Бонч-Бруевич, В.П. Вологдин, В.К. Лебединский, А.М. Кугушев, В.В. Татарин, А.Ф. Шорин и др. Там под руководством М.А. Бонч-Бруевича была создана мощная генераторная лампа с внешним анодом и водяным охлаждением. Мощность, отдаваемая лампой, доходила до 950 Вт. В дальнейшем в Нижегородской лаборатории были разработаны усовершенствованные генераторные и модуляторные лампы мощностью 25 и 40 кВт. На основе этих ламп под руководством М. А. Бонч-Бруевича была построена радиостанция им. Коминтерна (Малый Коминтерн) мощностью 12 кВт, а в 1926 г. — радиостанция мощностью 40 кВт. Обе эти станции в то время являлись самыми мощными в мире. Одновременно развивались теория и методы инженерного расчета ламповых радиопередатчиков. В развитие теории существенный вклад внесли работы М.В. Шулейкина, А.И. Берга, А.Л, Минца и многих других отечественных и зарубежных ученых. Успешно развивалась техника радиопередающих устройств в годы первых пятилеток. Строились новые радиостанции, осваивались новые частотные диапазоны. Так, в 1929 г. под руководством А. Л. Минца была построена 100-киловаттная радиовещательная станция им. ВЦСПС, а в 1933 г. начала работать 500-киловаттная радиостанция им. Коминтерна. В годы Великой Отечественной войны в СССР вступила в строй сверхмощная средневолновая радиовещательная станция мощностью 1200 кВт. Отличительной особенностью этих станций была блочная конструкция, когда несколько блоков (генераторов) работали на общую нагрузку. Уже в 30-х годах и особенно в 40-е годы началось интенсивное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов удалось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало создания новых электронных приборов для усиления и генерирования высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. В частности, были разработаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны, платинотроны. Последние годы характеризуются внедрением в технику радиопередающих устройств полупроводниковых приборов. Это стало возможным благодаря созданию мощных генераторных транзисторов. Замена ламп в транзисторной технике радиопередающих устройств вызвана значительными преимуществами этих приборов: малыми массами и габаритными размерами, мгновенной готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим напряжением. В настоящее время транзисторы реализуются как в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передатчиках средней мощности. При этом наряду с биполярными транзисторами в передающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере разработки более высококачественных генераторных транзисторов создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, работающих на частотах до нескольких гигагерц. В маломощных ступенях передатчиков и возбудителях стали широко использоваться интегральные микросхемы и микросборки, а для измерения качественных показателей передатчиков и их управления — микропроцессорные устройства и ЭВМ. Последнее время для генерирования и усиления электромагнитных колебаний используют квантовый метод. Приборы для усиления СВЧ колебаний — мазеры и генераторы когерентного света (лазеры) нашли практическое применение. За разработку таких генераторных приборов советским ученым А. М. Прохорову и Н. Г. Басову совместно с американским ученым Ч. Таунсом присуждена Нобелевская премия. Идет интенсивное освоение и диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн, промежуточных между радиоволнами и световыми колебаниями. Радиопередатчики классифицируются: по назначению — связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, телеметрические и т.д.; по мощности — маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 10 кВт), мощные (до 1000 кВт) и сверхмощные (свыше 1000 кВт); по роду работы (виду излучения) — телеграфные, телефонные, однополосные, импульсные и т.д. Виды излучения обозначаются тремя индексами: первый (буква) характеризует вид модуляции: А— амплитудная, F— частотная, Р—импульсная; второй (цифра) определяет тип передачи: 0 — излучение немодулированной несущей, 1 — телеграфирование без модулирующей звуковой частоты, 2 — тональная телеграфия и т. д.; третий индекс (буква) определяет вспомогательные характеристики; по способу транспортировки — стационарные и подвижные (переносные, автомобильные, корабельные, самолетные и т.д.). Параметры любого радиопередающего устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТов и рекомендациям МСЭ. Одним из основных параметров передатчика, определяющего во многом дальность действия радиолинии, является его мощность. В зависимости от назначения радиопередатчика его мощность лежит в пределах от долей ватта (передатчики носимых радиостанций) до нескольких тысяч киловатт (современные радиовещательные станции). Исключительно важный параметр передатчика — стабильность его частоты. Современные радиопередатчики имеют относительную нестабильность частоты около . Иногда требуется и более высокая стабильность частоты, например для передатчиков, работающих в сетях синхронного радиовещания. Высокая стабильность частоты передатчика повышает помехозащищенность радиолинии (поскольку позволяет сузить полосу пропускания приемного устройства), позволяет увеличивать число станций, работающих в заданном диапазоне без взаимных помех (улучшает электромагнитную совместимость). Существуют международные рекомендации на допустимые отклонения частоты радиопередатчиков всех категорий и назначений. Важным параметром передатчика является его коэффициент полезного действия (КПД) — отношение мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания. Коэффициент полезного действия маломощных передатчиков определяет во многом его габаритные размеры и массу, а КПД сверхмощных передатчиков, кроме того, — стоимость их сооружения и эксплуатации. Высокий КПД позволяет повысить экономичность системы охлаждения, а также увеличить надежность работы передатчика. Не меньшее значение имеют электроакустические показатели радиопередатчика, такие как требования к коэффициенту модуляции (для передатчиков с AM), индексу модуляции (для передатчиков с ЧМ и ФМ), нелинейным искажениям, амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), уровню фона и шума и т.д. В связи с ростом числа радиостанций и повышением требований к качеству передачи информации электроакустические и технические показатели радиопередатчиков постоянно совершенствуются. В последние годы в мощных передатчиках НЧ СЧ диапазонов дальнейшее распространение получил бигармонический режим усиления мощности, позволяющий повысить КПД передатчиков на 10…15% . Совершенствуются и генераторные лампы. В настоящее время АМ передатчики мощностью до 1000 кВт с СЧ диапазоне и 500 кВт в ВЧ диапазоне имеют лишь одну лампу в выходном каскаде. Были созданы выходные колебательные системы, обеспечивающие выполнение современных норм на побочные излучения даже в более мощных передатчиках, шире используются испарительное охлаждение анодов мощных лам. В модуляционных устройствах мощных передатчиков с АМ успешно применяются усилители класса Д. В этих усилителях активные приборы (лампы и транзисторы) работают в ключевом режиме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и выделением на выходе усиленного модулирующего колебания. В этой связи КПД модуляционного устройства оказывается высоким при любой глубине модуляции. В телевизионных передатчиках широко реализуется постоянный автоматический контроль основных параметров выходных сигналов. Для формирования АЧХ канала изображения на промежуточной частоте применяются фильтры на поверхностно-акустических волнах. В последние годы в этих передатчиках стали использовать систему совместного усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения в общем тракте. Значительного повышения качественных показателей радиопередатчиков, повышения оперативности их работы удается достигнуть с помощью ЭВМ в системе телеуправления и контроля. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1.Когда считается начало развития техники радиопередающих устройств? 2.Кто такой А. С. Попов? 3. Машины В. П. Вологдина использовались где? 4.Что такое ламповые радиопередатчики? 5. Приборы для усиления СВЧ колебаний  это…. ЛЕКЦИЯ 8. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии: узкополосную передачу и широкополосную передачу. Узкополосная передача (baseband) Узкоополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала частоты. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в сетях с узкополосной передачей посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно и передавать их, и принимать. Распространяясь по кабелю, сигнал постепенно затухает и искажается. Если кабель слишком длинный, на дальнем его конце передаваемый сигнал может исказиться до неузнаваемости или просто пропасть. Чтобы избежать этого, в узкополосных системах используют репитеры, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты, позволяя тем самым увеличить общую длину кабеля. Широкополосная передача Широкополосные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот. Сигналы представляют собой непрерывные (а не дискретные) электромагнитные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении. Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному кабелю одновременно может идти вещание нескольких систем, таких, как кабельное телевидение и передача данных. Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства, связанные с данной системой (например, компьютеры), должны быть настроены таким образом, чтобы работать именно с выделенной частью полосы пропускания. Если в узкополосных системах для восстановления сигнала используют репитеры, то в широкополосных - усилители (amplifiers). В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении, поэтому, чтобы все устройства могли и принимать, и передавать данные, необходимо обеспечить два пути для прохождения сигнала. Разработано два основных решения: разбить полосу пропускания на два канала, которые работают с различными частотами, при этом один канал предназначен для передачи сигналов, другой - для приема; использовать два кабеля, в этом случае один кабель предназначен для передачи сигналов, другой -для приема Ду́плекс (лат. duplex — двухсторонний) — способ связи с использованием приёмопередающих устройств (модемов, сетевых карт, раций, телефонных аппаратов и др.). Реализующее дуплексный способ связи устройство может в любой момент времени и передавать, и принимать информацию. Передача и прием ведутся устройством одновременно по двум физически разделённым каналам связи (по отдельным проводникам, на двух различных частотах и др. за исключением разделения во времени — поочередной передачи). Пример дуплексной связи — разговор двух человек (корреспондентов) по городскому телефону: каждый из говорящих в один момент времени может и говорить, и слушать своего корреспондента. Дуплексный способ связи иногда называют полнодуплексным (от англ. full-duplex); это синонимы. Помимо дуплексной, выделяют полудуплексную и симплексную связь. Реализующее полудуплексный (англ. half-duplex) способ связи устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию. Как правило, такое устройство строится по трансиверной схеме. Пример полудуплексной связи — разговор по рации: каждый из корреспондентов в один момент времени либо говорит, либо слушает. Для обозначения конца передачи и перехода в режим приема корреспондент произносит слово «прием» (англ. «over»). Управление режимом работы радиостанции (прием или передача) может быть ручным (англ. Push-to-Talk (PTT) — кнопка или тангента переключения прием-передача, другое обозначение — MOX от англ. Manual control), голосовым (VOX — от англ. Voice control) или программным. Дуплексный режим Режим, когда передача данных может производиться одновременно с приёмом данных (иногда его также называют «полнодуплексным», для того чтобы яснее показать разницу с полудуплексным). Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал — исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал — исходящая для второго устройства и входящая для первого. Суммарная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме может достигать своего максимума. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с — передача и 100 Мбит/с — приём). В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, Gigabit Ethernet). Полудуплексный режим Полудуплекс - режим, при котором, в отличие от дуплексного, передача ведётся по одному каналу связи в обоих направлениях, но с разделением по времени (в каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении). Полная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме имеет вдвое меньшее значение, по сравнению с дуплексом. Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением. Этот режим применяется тогда, когда в сети используется коаксиальный кабель или в качестве активного оборудования используются концентраторы. В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям называемый RJ-45 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Дайте характеристику - узкополосная передача (baseband) 2. Что такое полудуплекс 3.Что такое Полудуплексный режим 4.Что такое Дуплексный режим 5. Что такое дуплексная связь 1. ЛЕКЦИЯ 9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Электромагнитное поле в месте радиоприема создается многими естественными и искусственными источниками. Очень малую часть этого поля составляет нужный сигнал, несущий передаваемое сообщение или иную информацию, которую требуется принять. В месте приёма на радиосигнал могут накладываться электромагнитные колебания от посторонних источников радиоизлучений, способные помешать правильному воспроизведению сообщения и называемые поэтому помехами радиоприёму. Неблагоприятное влияние на качество радиосвязи могут оказывать также изменение во времени затухания радиоволн на пути распространения от передающей антенны к приёмной и распространение радиоволн одновременно по двум или нескольким траекториям различной протяжённости; в последнем случае электромагнитное поле в месте приёма представляет собой сумму взаимно смещенных во времени радиоволн, интерференция которых также вызывает искажения радиосигнала. Поэтому и эти явления относят к категории помех радиоприёму. Задача радиоприемного устройства - выделить этот сигнал и воспроизвести информацию. Всё многообразие радиоприёмников амплитудно - и частотно-модулированных сигналов можно разделить на две группы: радиовещательные и профессиональные. Радиовещательные приемники предназначены для приема звуковых и телевизионных программ. Профессиональные приемники предназначены для работы на линиях радиосвязи, в радиолокационных и радионавигационных установках и т. П. Каждая из групп, в свою очередь, делится на специализированные подгруппы. По виду приемной схемы различают приемники прямого усиления, регенеративные, сверхрегенеративные, и супергетеродинные. По диапазону волн принимаемых сигналов приемники разделяются на длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые. По роду работы различают приемники телефонные, телеграфные, телевизионные, локационные и т.д. По способу модуляции принимаемых сигналов различают приемники, предназначенные для приема сигналов амплитудной, частотной, фазовой и импульсной модуляции. По месту установки приемники могут работать в стационарных или в подвижных системах, например на самолете, танке, корабле и т.д. По протяженности линии связи различают приемники, предназначенные для работы на магистральных линиях связи и на линиях средней и малой протяженности. Всякое радиоприемное устройство должно удовлетворять определенным требованиям, которые позволяют использовать приемник по его прямому назначению. Технические требования, предъявляемые к радиоприемникам различных назначений, могут включать примерно следующие показатели: выходную мощность и выходное напряжение, чувствительность, избирательность и полосу пропускания, диапазон частот и качество воспроизведения.  Основные функциональные узлы радиопередатчика Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных факторов: назначения, диапазона рабочих частот, мощности и т.д. Тем не менее можно выделить некоторые типовые блоки, которые однако имеются в большинстве передатчиков. Структура передатчика (рис. 1) определяется его основными общими функциональными возможностями, к которым относятся:— получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и мощности; — модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом; — фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых вы­ходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создать помехи другим радиостанциям; — излучение колебаний через антенну.  Рис.1 Функциональная схема радиопередатчика  Остановимся более подробно на требованиях к отдельным функ­циональным узлам радиопередатчика.  Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или опорным генератором, служит для получения высокочастотных ко­лебаний, частота которых соответствует высоким требованиям к точности и стабильности частоты радиопередатчиков.  Синтезатор преобразует частоту колебаний опорного генерато­ра, которая обычно постоянна, в любую другую частоту, которая в данное время необходима для радиосвязи или вещания. Ста­бильность частоты при этом преобразовании не должна существен­но ухудшаться. В отдельных случаях синтезатор частоты не нужен, например, если генератор непосредственно создает колебания нужной частоты. Однако с синтезатором легче обеспечить требуе­мую высокую точность и стабильность частоты, так как он, во- первых, работает на более низкой частоте, на которой легче обеспечить требуемую стабильность; во-вторых, он работает на фиксированной частоте. Кроме того, современные синтезаторы приспособлены для дистанционного или автоматического управле­ния синтезируемой частотой, что облегчает общую автоматизацию передатчика.  Промежуточный усилитель высокой частоты, следующий за синтезатором, необходим по следующим причинам:  — благодаря промежуточному усилителю с достаточно большим коэффициентом усиления от опорного генератора и синтезатора не требуется значительной мощности;  — применение промежуточного усилителя между синтезатором и мощным усилителем ослабляет влияние на генератор и синтезатор возможных регулировок в мощных каскадах передатчика и в антенне.  Усилитель мощности (его называют генератором с внешним возбуждением) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, оп­ределяемого требованиями системы радиосвязи. Главным требова­нием к усилителю мощности является обеспечение им высоких эко­номических показателей, в частности КПД.  Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в ан­тенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласо­вания выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. для обеспечения условий максимальной передачи мощности.  Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных колебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого моду­лятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и вида модуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) на один или несколько блоков из числа обведенных пунктиром на рис. 1. Например, частотная модуляция может получаться в синтеза­торе частоты либо (реже) в генераторе; амплитудная модуляция получается воздействием на мощный и промежуточный усилители.  Устройство электропитания обеспечивает подведение ко всем блокам токов и напряжений, необходимых для нормальной работы входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих элек­тронных элементов, а также систем автоматического управления, устройств защиты от аварийных режимов и прочих вспомогатель­ных цепей и устройств. Система электропитания содержит выпря­мители, электромашинные генераторы с двигателями внутреннего сгорания, аккумуляторы, инверторы (преобразователи) низкого по­стоянного напряжения в более высокое или обратно, трансформа­торы, коммутационную аппаратуру, резервные источники питания и устройства для автоматического перехода с основного источника на резервный в случае неисправностей и т.п.  На рис. 1 не показаны многочисленные объекты вспомогатель­ного оборудования, входящие в состав передатчика (особенно мощ­ного), например, средства автоматического и дистанционного управ­ления; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанцион­ного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки; вы­ключающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или опасности для обслуживающего персонала и др.  Радиопередатчики диапазонов километровых, гектометровых и декаметровых волн обычно размещаются группами на специальных предприятиях — передающих радиостанциях. При большом числе передатчиков радиостанции называются радиоцентрами. Радио­вещательные передатчики метровых и дециметровых волн, как пра­вило, размещаются вместе с передатчиками телевизионного веща­ния. Предприятия связи, на которых установлены эти передатчики, называются радиотелевизионными передающими станциями (цен­трами).  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Дайте функциональную схему радиопередатчика  2. Что такое модулятор? 3. Для чего используется модулятор? 4.Что такое генератор высокой частоты? 5. Перечислите основные функциональные узлы радиопередатчика ЛЕКЦИЯ 10. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННЫХ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности. Основным направлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использования сложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстрой перестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемника и базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами. Что касается систем вещания, здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника с такими задачами справиться не в состоянии, и формирование сигналов передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами. Аналого-цифровые преобразователи применяются в цифровых радиопередатчиках для решения следующих основных задач: • преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму для последующей цифровой модуляции ВЧ колебаний; • сбор данных с датчиков систем диагностики, контроля и регулирования параметров каскадов передатчика (например, датчиков падающей и отраженной волны, выходной мощности, питающих напряжений, токов и температурного режима транзисторов выходных каскадов для их защиты и т.п.); • оцифровывание сигнала обратной связи систем авторегулирования, работающих по выходному сигналу (для обеспечения линейности управления амплитудой выходного сигнала передатчика). С первыми двумя задачами из названных выше призваны справляться низкочастотные АЦП общего применения, последняя задача - для специальных ВЧ АЦП, разработанных для работы на радиочастотах. Рассмотрим подробнее эти два класса АЦП. Низкочастотные АЦП (с частотой 10...1000000 выборок в секунду) строятся с использованием архитектуры последовательного приближения либо с использованием сигма-дельта архитектуры. Для таких АЦП характерны большое число разрядов (10...24), высокая точность преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейность - доли единиц младшего разряда шкалы), малая потребляемая мощность (единицы мВт). Рис.1.1. Структура АЦП последовательного приближения показана на рис. 1.1. По команде начала преобразования устройство выборки и хранения (УВХ) берет отсчет входного сигнала, а в регистр последовательного приближения записывается число1000...000, которое подается на вход ЦАП. Компаратор сравнивает напряжение на выходе ЦАП и входное напряжение, и если входное напряжение больше напряжения ЦАП, единица в старшем разряде остается, а в противном случае сбрасывается. После этого устанавливается в 1 следующий разряд (на входе ЦАП 0100...000 или 1100...000) и выходное напряжение ЦАП опять сравнивается со входным напряжением, после чего значение второго слева разряда сохраняется равным 1 или сбрасывается. Такой цикл повторяется для всех разрядов регистра, и когда все они примут определенное значение, АЦП подает сигнал готовности результата преобразования. АЦП последовательного приближения имеют разрешение до 16 бит, а их скорость может достигать 0.1...1.5 MSPS (миллионов выборок в секунду). Такие АЦП используют в мультиплексированных системах сбора данных, так как часто их выполняют с мультиплексором на входе, имеющим от 2 до 8 каналов входных аналоговых сигналов. Сигма-дельта АЦП построен с использованием принципов избыточной дискретизации с последующей цифровой фильтрацией и децимацией (уменьшением количества выборок). Алгоритм обработки сигнала в сигма-дельта АЦП выбран так, что значительная часть шумов квантования остается за пределами полосы пропускания цифрового фильтра АЦП, благодаря чему достигается возможность повышения разрядности преобразования. Сложная математическая обработка сигнала в таком АЦП приводит к снижению его скорости до 10...50000 выборок в секунду, но преимуществами сигма-дельта АЦП при этом являются очень высокая разрешающая способность (16-24 разряда), чрезвычайно малая дифференциальная нелинейность, малая потребляемая мощность (милливатты). Такие АЦП применяют для обработки сигналов датчиков и аналоговых НЧ сигналов (голосовых частот). Их также делают многоканальными (2-4 канала) для обработки нескольких аналоговых сигналов, но при этом используется свой АЦП на каждый канал. Сигма-дельта АЦП обладают дополнительными возможностями: не требуют УВХ, имеют встроенные усилители с программируемым коэффициентом усиления, программируемые цифровые фильтры (ФНЧ, ФВЧ, полосовой, режекторный); пример АЧХ 16-разрядного КИХ-фильтра АЦП AD1877 показан на рис. 1.2. Рис. 1.2. Высокоскоростные АЦП выполняют с параллельной (Flash ADC) или последовательно-параллельной архитектурой, называемой иначе конвейерной структурой. Наиболее быстродействующей является параллельная архитектура, показанная на рис. 1.3. Она состоит из линейки компараторов, у каждого из которых опорное напряжение ниже, чем у предыдущего. Входной сигнал подается на все компараторы сразу, а затем просто преобразовывается в двоичный код дешифратором, благодаря чему преобразование занимает очень небольшое время - десятки наносекунд, так что такой АЦП способен работать на скоростях выше 50 MSPS. К недостаткам параллельных АЦП надо отнести небольшую разрядность (6...8 разрядов), так как увеличение числа разрядов на 1 требует удвоения числа компараторов, и большую потребляемую мощность, определяемую быстродействием логических элементов АЦП (сотни мВт). Примером параллельного АЦП может послужить AD9066 - сдвоенный согласованный АЦП, имеющий скорость 60 MSPS, 6 разрядов и 400 мВт потребляемой мощности. Рис. 1.3. Необходимо отметить, что существует архитектура интерполирующих параллельных АЦП, позволяющая повысить разрядность до 10 при сохранении всех преимуществ параллельных АЦП. Последовательно-параллельные (конвейерные) АЦП позволяют работать на высоких частотах (20...60 MSPS) при меньших мощностях потребления (десятки мВт) и более высокой разрядности (10...16 разрядов), чем параллельные АЦП. Параллельные АЦП могут использоваться как части конвейерной архитектуры. Рис. 1.4. Представленная на рис. 1.4. конвейерная структура работает следующим образом. УВХ-1 фиксирует входной сигнал, после чего первый 6-разрядный АЦП оцифровывает его и подает результат своей работы на ЦАП, на выходе которого образуется 6-разрядное приближение аналогового сигнала. На выходе УВХ-2 хранится копия исходного отсчета аналогового сигнала, и из нее вычитается полученное в первом каскаде структуры 6-разрядное приближение; полученная разница усиливается, а затем оцифровывается 7-разрядным АЦП (лишний разряд здесь нужен для коррекции ошибки). Полученные с выхода первого и второго АЦП разряды объединяются и отправляются в выходной регистр. Таким образом, применение двух АЦП на 6+7 разрядов существенно экономит число компараторов по сравнению с 12-разрядным параллельным АЦП, что позволяет выиграть в потребляемой мощности при прочих равных параметрах. Отметим, что существуют не только двухкаскадные, но и 3-каскадные, и 4-каскадные конвейерные АЦП, имеющие в составе 3-разрядные параллельные АЦП, чем достигается еще большая экономия потребляемой мощности за счет некоторого снижения быстродействия (до 3...20 MSPS). Выпускаются также сдвоенные согласованные конвейерные АЦП, имеющие внутреннее мультиплексирование с выходом на одну общую шину данных (AD9201, рис. 1.5). Рис. 1.5. Необходимо указать на одну особенность современных быстродействующих АЦП: полоса пропускания по входному сигналу за счет УВХ у них может значительно превышать половину максимальной частоты дискретизации (Fs/2), благодаря чему такие АЦП могут оцифровывать узкополосные ВЧ сигналы, лежащие выше этой частоты. Известно, что спектр выходного сигнала АЦП состоит из копий спектра входного сигнала, сдвинутых на частоты, кратные частоте дискретизации Fs: . Рассмотрим пример такой обработки ВЧ сигнала, при которой мы сможем обработать с помощью АЦП сигнал, частота которого выше частоты выборок Fs = 90 МГц. В классическом в смысле теоремы Котельникова случае частота сигнала FA не должна превышать 45 МГц. Пусть это будет FA = 20 МГц. По рис. 1.6.а видно, что в этом случае выходной сигнал АЦП содержит сигнал со средней частотой 20 МГц, которая может быть обработана последующим сигнальным процессором. Теперь пусть частота входного сигнала FA = 160 МГц. Казалось бы, наш АЦП с Fs = 90 МГц не сможет обработать столь высокочастотный сигнал, ведь по теореме Котельникова неизбежны искажения в выходном сигнале благодаря наложению спектров. Однако, такого не происходит благодаря узкополосности сигнала, и на выходе АЦП мы вновь видим сигнал (точнее, «образ» сигнала) со средней частотой 20 МГц. Правда, спектр этого сигнала инвертирован, но это можно учесть при обработке в сигнальном процессоре. Рис. 1.6. Таким образом, ВЧ АЦП с быстродействующими УВХ на входе могут быть использованы для квантования узкополосных сигналов, частоты которых превышают частоты дискретизации АЦП, что может найти применение в радиопередатчиках для оцифровывания непосредственно их выходных колебаний с целью создания обратной связи. Все ЦАП, применяемые в радиопередатчиках, уместно разделить на два класса: ЦАП общего применения для работы в низкочастотных трактах, системах управления и контроля передатчика и специализированные быстродействующие ЦАП, предназначенные для формирования ВЧ сигналов на рабочей или промежуточной частоте с определенным видом модуляции. В настоящем параграфе речь пойдет о ЦАП первого из названных классов. Основные области применения таких ЦАП: • обработка сигналов в информационных трактах приемопередатчиков; • управление режимами работы каскадов передатчика (например, коэффициентом усиления транзисторных каскадов) согласно кодовым командам встроенного управляющего микроконтроллера; • управление приводами систем настройки передатчика. К ЦАП этого класса в передатчиках предъявляются следующие требования: • низкое потребление энергии (милливатты); • последовательная или параллельная загрузка кода; • относительно высокое разрешение (10-12 бит); • относительная точность и дифференциальная нелинейность не хуже 1-2 единиц младшего разряда; • невысокое быстродействие (до единиц Msps); • многоканальность (несколько самостоятельных ЦАП на одном кристалле). Рис.2. 1.1. В качестве ядра преобразования в таких ЦАП обычно применяют структуру с одним ключом на разряд сигнала (так называемую бинарную), которая показана на рис. 2.1.1. Такая структура проста, содержит минимальное «переключателей», но у нее имеются и недостатки, главный из которых - кодозависимые ложные сигналы (помехи из-за выбросов коммутации ключей старших разрядов). Тем не менее, при формировании НЧ сигналов и постоянных управляющих режимами каскадов передатчика напряжений и токов, с этим недостатком можно легко примириться. Рис. 2.1.2. Примером типовой архитектуры ЦАП общего применения может служить микросхема AD8582 (рис. 2.1.2). Это сдвоенный ЦАП с хорошим согласованием каналов, потребляющий меньше 5 мВт от единственного источника питания 5 В. Структура ЦАП содержит два одинаковых 12-битных ядра ЦАП, аналогичных показанному на рис. 2.1.1, а также встроенные операционные усилители для перевода выходного сигнала из тока в напряжение. Особенностью данной микросхемы, которая присуща многим современным ЦАП, является двойная буферизация входного кода, которая позволяет реализовать следующие возможности: • параллельная и последовательная загрузка данных; • раздельная поочередная загрузка каждого из ЦАП на кристалле (путем раздельной записи во входные регистры каждого ЦАП) и при этом синхронная смена данных на выходах всех ЦАП (путем одновременной записи в выходные регистры данных, накопленных во входных регистрах каждого ЦАП). Других особенностей такие ЦАП не имеют. Их разновидности и работа подробно описаны в литературе. Синтезировать ВЧ сигнал с рабочей или промежуточной частотой и заданным видом модуляции можно и на выходе специализированных ЦАП, освоение которых промышленностью началось в 80-х годах, а серьезные успехи в этом направлении были достигнуты в 90-х годах. К таким ЦАП предъявляются высокие требования по быстродействию (десятки или сотни MSPS) и очень жесткие требования по качеству выходного сигнала, которое оценивается следующими основными параметрами: • SFDR - свободный от паразитных составляющих динамический диапазон, • CNR - отношение сигнал/шум на частоте несущей, • IMD - коэффициент интермодуляционных искажений, • ACPR - коэффициент развязки соседних каналов по мощности. Приборы, у которых SFDR превышает 70 дБ, CNR – 65 дБ, уже имеет смысл использовать для формирования сигналов в системах телекоммуникаций. Применение для синтеза модулированных ВЧ сигналов ЦАП с обычной архитектурой (с одним ключом на разряд кодирующего сигнала, рис. 2.1.1) оказалось невозможным вследствие присущего им повышенного уровня нелинейных искажений и шумов при работе на ВЧ, что приводит к возникновению паразитных составляющих в спектре выходного сигнала ЦАП (см. SFDR, CNR). Главными недостатками архитектуры с одним ключом на разряд являются паразитные выбросы в сигнале ЦАП при коммутации ключей и неточность восстановления значений старших разрядов сигнала. Первое объясняется тем, что при смене кода на входах ЦАП одновременно замыкаются или размыкаются несколько ключей, причем наибольшие выбросы в выходном сигнале обусловлены коммутацией ключей старших разрядов. (Такие выбросы в англоязычной литературе называют glitch, их энергия измеряется в нВ*с.) Второе можно объяснить тем, что неточность резисторов старших разрядов матрицы R-2R приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе ЦАП. Такие искажения называются кодозависимыми. Для достижения указанных параметров потребовалось разработать новый тип архитектуры – сегментированные ЦАП и добиться высочайшего уровня точности при выполнении такой архитектуры на кристалле. Основной идеей сегментированного ЦАП является раздельное формирование старших и младших разрядов сигнала. При этом младшие разряды формируются по-прежнему по принципу одного ключа на разряд сигнала, а старшие разряды – по принципу одного ключа на уровень сигнала. Познакомимся с этим принципом подробнее (рис. 2.2.1). Все резисторы в матрице одинаковые, поэтому для увеличения тока или напряжения сигнала на 1 уровень требуется включение одного ключа (любого) в дополнение к уже включенным. При этом ошибка в точности воспроизведения уровня минимальна, минимален и выброс от коммутации ключа. Ясно, что искажения сигнала при этом будут кодонезависимыми. Рис. 2.2.1. Недостатком такого ЦАП является невозможность обеспечения высокого разрешения сигнала, так как при этом требовалось бы слишком большое количество ключей (например, для 14-разрядного ЦАП требуется 16383 ключа). Но для достижения высокого разрешения в специализированных ЦАП для радиопередатчиков и применяется формирование младших разрядов сигнала с помощью ЦАП с одним ключом на разряд. Ясно, что в такой архитектуре сочетаются высокая разрядность (точность) синтеза сигнала с минимальными кодозависимыми кодовыми помехами. Заметим, что ЦАП с одним ключом на уровень называют иначе полнодекодирующим, а ЦАП с одним ключом на разряд – двоичным. Рис. 2.2.2. Структурная схема ядра сегментированного ЦАП AD9772, выполненного по технологии TxDAC+, показана на рис. 2.2.2. ЦАП 14-разрядный, при этом 5 старших и 4 средних разрядов кода преобразуются дешифратором для управления полнодекодирующим ЦАП, а 5 младших – для управления двоичным ЦАП. Выходы всех ключей объединяются в один токовый выход. Такое решение позволило достичь высоких параметров. Частота выборки на входе 150 Msps, на выходе – 300 Msps, рассеиваемая мощность – 150 мВт. SFDR 75 дБ на 26 МГц и CNR 70 дБ в полосе 25МГц. Выходной ток полной шкалы изменяется в пределах 2–20 мА. Рассеиваемая мощность ЦАП составляет 205 мВт, в режиме энергосбережения – 13 мВт. По значению ACPR в WCDMA-режиме (74 дБ) ЦАП вполне соответствует требованиям сотовых систем третьего поколения. AD9772 способен полностью реконструировать форму сигнала с динамическим диапазоном до 63.3 МГц. Правда, при этом точность по постоянному току средняя – типичные значения интегральной и дифференциальной нелинейности равны ±4 и ±3 LSB (младший значимый бит), соответственно. Рис. 2.2.3. Рассмотрим подробно полную структуру ЦАП AD9772 (рис. 2.2.3). Входной 14-разрядный код подается на буферный регистр, работающий с тактовой частотой до 150 МГц. (Большинство современных ЦАП выполнено по схеме с двойной буферизацией по входному коду.) С регистров-защелок данные подаются на двухкратный интерполяционный фильтр, который обеспечивает повышение частоты дискретизации в 2 раза по сравнению со входной частотой дискретизации, что способствует снижению требований к выходному восстанавливающему фильтру. Следующий каскад выполняет функцию заполнения нуля, т.е. увеличивает эффективную скорость обновления данных в 2 раза за счет вставления нулевых отсчетов сигнала между каждыми двумя его исходными отсчетами. Следующим (выходным) каскадом структурной схемы является рассмотренное выше ядро ЦАП (рис. 2.2.2). Функцией интерполяционного фильтра является увеличение частоты дискретизации на выходе фильтра в 2 раза по сравнению со входной частотой дискретизации Fs . Это необходимо при работе со входным сигналом, частота которого f0 относительно высока и приближается к половине входной частоты дискретизации. В этом случае требования к реконструирующему (сглаживающему) фильтру на выходе ЦАП становятся весьма жесткими, так что для качественного восстановления формы сигнала потребуется реконструирующий фильтр очень высокого порядка, способный разделить две близкие частоты - истинного выходного сигнала fс и его первого «образа» Fs – f0. Рис. 2.2.4. Поясним сказанное о работе интерполяционного фильтра в ЦАП примером (рис. 2.2.4). Пусть частота дискретизации Fs = 30 МГц, а частота входного сигнала f0 = 10 МГц. В таком случае частота первого ближайшего образа сигнала Fs – f0 будет равной 20 МГц. Компонент этой боковой частоты должен быть подавлен аналоговым ФНЧ (antialiasing filter). предположим, на 60 дБ. Поэтому характеристика фильтра должна пройти от полосы пропускания, заканчивающейся в точке 10 МГц, до ослабления на 60 дБ в полосе задержки, начинающейся в точке 20 МГц, то есть через переходный диапазон, который находится между 10 и 20 МГц (одна октава). Фильтр Баттерворта дает ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Поэтому для обеспечения желательного ослабления требуется как минимум фильтр 10 порядка. Фильтры становятся еще более сложными, если требуется более узкий переходной диапазон. Предположим, что мы увеличим скорость обновления ЦАП от Fs = 30 МГц до 60 МГц и вставим "ноль" между каждым первоначальным отсчетом данных. Скорость параллельного потока данных теперь равна 60 MSPS, но нам предстоит определить значение точек с нулевыми данными. Для этого поток данных 60 MSPS с добавленными нулями пропускается через цифровой интерполяционный фильтр, который вычисляет дополнительные значения данных. Реакция цифрового фильтра при избыточной двукратной дискретизации представлена на рис. 2.2.4б. Теперь зона перехода аналогового сглаживающего ФНЧ (antialiasing filter) занимает от 10 до 50 МГц (первая составляющая («образ») попадает на 2fc-fo=60-10=50 МГц). Эта переходная зона немного больше, чем две октавы, и фильтра Баттерворта пятого или шестого порядка оказывается достаточно. Рассмотренный режим работы ЦАП относился к случаю, когда синтезируемый сигнал по частоте ниже 0.5Fs; при этом выбирают режим работы интерполяционного фильтра как ФНЧ. В случае, если необходимо в качестве выходного сигнала использовать один из более высокочастотных «образов» входного сигнала, например, Fs – f0 или Fs + f0, переключают интерполяционный фильтр в режим ФВЧ. В таком режиме он подавляет основной сигнал и подчеркивает «образы», как это показано на рис. 2.2.5. Сравнивая этот рисунок с предыдущим, можно видеть, что отсчеты, вставляемые интерполяционным фильтром в режиме ФВЧ, отличаются полярностью от вставляемых в режиме ФНЧ. Рис. 2.2.5. Функция «заполнения нуля» (а точнее - заполнения нулевым значением промежутка между двумя соседними выборками на выходе ЦАП) необходима для повышения амплитуды синтезируемого сигнала в том случае, когда его частота высока (например, выделяется первый «образ» сигнала), и следовательно, он подавляется амплитудно-частотной характеристикой ядра ЦАП, имеющей форму sin(x)/x с первым провалом на частоте сигнала, равной удвоенной входной частоте дискретизации. Вставляя нулевой отсчет между соседними выборками сигнала на выходе ЦАП, мы как бы повышаем частоту дискретизации еще в 2 раза; при этом форма сигнала на выходе реконструирующего фильтра не искажается, а первый провал АЧХ ЦАП сдвигается на частоту 4Fs. Как видно по рис. 2.2.6, это способствует поднятию амплитуды ВЧ сигналов на выходе ЦАП, даже если их частота превышает Fs. Рис. 2.2.6. Отметим, что в рассматриваемом ВЧ ЦАП AD9772 предусмотрено выключение режима заполнения нуля. Это имеет смысл в случае, если синтезируемый сигнал по частоте ниже 0.5Fs и в этом случае АЧХ ЦАП вида sin(x)/x способствует некоторому повышению отношения амплитуды полезного сигнала к амплитуде первого «образа» сигнала на выходе ядра ЦАП. На рис. 2.2.3 также виден еще один каскад ЦАП - встроенный умножитель тактовой частоты на основе петли ФАПЧ. Его имеет смысл включать при использовании тактовых частот, превышающих десятки МГц, что удешевляет тактовый генератор и улучшает электромагнитную совместимость каскадов цифрового радиопередатчика. Недостатком умножителя с ФАПЧ является повышение фазовых шумов на выходе ЦАП, так что иногда предпочтительнее сделать внешний умножитель частоты на пассивных элементах, например, диодах. Повышение фазового шума может достигать 3-18 дБ в зависимости от сочетания тактовой частоты и коэффициента деления частоты встроенного генератора в петле ФАПЧ. Отметим здесь, что существуют сдвоенные ЦАП такого класса, предназначенные для синтеза квадратурных ВЧ сигналов. О них речь пойдет в главе, посвященной цифровым модуляторам (см.ниже). Рассмотренные выше специализированные ВЧ ЦАП для радиопередатчиков являются одноканальными; они способны формировать на выходе немодулированный ВЧ сигнал или ВЧ сигнал с ЧМ. При необходимости получить сигнал с амплитудно-фазовыми видами модуляции (а таких большинство, например QAM, SSB) необходимо применять микросхемы ЦАП с квадратурными каналами, содержащие встроенный квадратурный амплитудный модулятор, работающий в цифровом формате. Пример реализации такой ИМС, являющейся, по сути, цифровым формирователем модулированных сигналов, или цифровым модулятором, показан на рис. 3.1. Рис. 3.1. Это сдвоенный 16-разрядный ЦАП AD9777, способный работать на скорости преобразования входных данных до 160 MSPS. Он предназначен для многоканальных беспроводных систем связи с квадратурной модуляцией, где требуется идентичность обоих каналов. Такой ЦАП может работать в системах WDMA, GSM и др. Входной цифровой поток разделяется демультиплексором на два потока, имеющих вдвое меньшую скорость, затем один из них подается в синфазный канал (I), а другой - в квадратурный канал (Q). В каналах I и Q установлены линейки из трех двухкратных интерполяционных фильтров, которые можно выключать по отдельности, получая 2х, 4х, либо 8х фильтры (с их работой мы познакомились выше). На входы квадратурных модуляторов, включенных за фильтрами, подается также двойной цифровой управляющий сигнал Iмод/Qмод, который и определяет вид модуляции формируемого сигнала. Квадратурные модуляторы здесь являются цифровыми устройствами - перемножителями, благодаря чему достигается высокая точность и качество модуляции. На кристалле микросхемы, как видно по рис. 3.1, размещены два согласованных по параметрам широкополосных 16-разрядных ядра ЦАП, выполненных по сегментированной архитектуре. Практически такой же по принципу работы структурой обладает широкополосный цифровой программируемый модулятор HSP50415, рис. 3.2. Он содержит также дополнительный блок коррекции частотных искажений ядра ЦАП вида sin(x)/x (рис2.2.6), что способствует выравниванию АЧХ ЦАП в полосе рабочих частот. Рис. 3.2. Быстродействие такого ЦАП позволяет работать ПЧ трактах современных телекоммуникационных систем на частотах до 50-75 МГц. При необходимости повысить рабочую частоту (например, до 900-1800 МГц) используют один из известных способов переноса рабочей частоты: гетеродинный перенос частоты в смесителе, умножение частоты в нелинейном каскаде, умножение частоты в петле ФАПЧ. Недостатки этих способов очевидны: нарушение целостности (модуляции) сигнала при умножении частоты, снижение скорости перестройки частоты и увеличение шумов при использовании ФАПЧ, трудность выполнения аналоговых СВЧ фильтров, подавляющих сигнал гетеродина и зеркальный канал при переносе частоты с помощью смесителя. Наиболее уместным здесь способом переноса частоты является применение интегрального аналогового квадратурного модулятора. Такие модуляторы выпускаются специально для преобразования частоты (и модуляции) генераторов ВЧ, имеющих квадратурные выходы, как рассмотренные выше ЦАП. Примером являются микросхемы MAX2720, MAX2721, работающие в диапазоне частот (1.7...2.1...2.5)ГГц, а также AD8346, имеющая диапазон 0.8...2.5 ГГц. Упрощенная внутренняя структура квадратурного СВЧ модулятора (информация от NI7X) и способ подключения к нему квадратурного ВЧ ЦАП показаны на рис. 3.3. Рис. 3.3. Благодаря тому, что входные сигналы и сигналы гетеродина, подаваемые на смесители этого модулятора, находятся в квадратуре, одна из боковых полос (т.е. зеркальный канал) эффективно подавляется при сложении колебаний в сумматоре (типичное подавление около 35 дБ). Подавляется также и сигнал гетеродина (не хуже 30 дБ), поскольку смесители являются балансными. Вид выходного спектра на частоте 1 ГГц показан на рис. 3.4 (информация от NI7X). Рис. 3.4. По существу, устройство, часть структурной схемы которого изображена на рис. 3.3, является цифровым радиопередатчиком... Отметим, что существуют интегральные микросхемы цифровых модуляторов, у которых формирователь квадратурного сигнала на основе двух согласованных ЦАП, гетеродин (синтезатор частоты), квадратурный модулятор и предварительный усилитель ВЧ собраны на одном кристалле. Примером может послужить HSP50307,структура которой приведена на рис. 3.5. Ее работа понятна из предыдущих объяснений. Она используется как QPSK модулятор на частотах несущей от 8 до 15 МГц. Рис. 3.5. Выше были рассмотрены аналоговые методы повышения рабочей частоты модулированного радиосигнала, в частности, на основе аналогового квадратурного модулятора. Требования, которые предъявляются к аналоговым перемножителям и фазовращателю такого квадратурного модулятора, являются весьма жесткими. Для обеспечения подавления нерабочего (зеркального) канала на 35 дБ требуется погрешность фазы не более 1 градуса и баланс амплитуд не хуже 0.5 дБ. Достижение еще более глубокого подавления проникновения сигнала гетеродина и зеркального канала на выходе модулятора для аналоговых устройств в полосе частот и диапазоне температур и напряжений питания является весьма затруднительным. Существуют микросхемы квадратурных цифровых устройств повышения рабочей частоты радиосигнала, повторяющих принцип работы рассмотренных выше аналоговых устройств; в качестве примера рассмотрим ИМС AD9856, рис. 3.6. Рис. 3.6. Роль гетеродина здесь выполняет прямой цифровой синтезатор (DDS), формирующий квадратурные сигналы с очень высокой точностью (о таких синтезаторах частоты подробно будет рассказано в следующей главе). Источником тактового сигнала для него служит аналоговый умножитель частоты на основе ФАПЧ с программируемым коэффициентом умножения. Входной цифровой сигнал, после разделения на два квадратурных цифровых потока с вдвое меньшей скоростью каждый, через цифровые интерполяционные фильтры подается на два цифровых перемножителя сигналов и цифровой сумматор. Перенесенный таким образом на новую рабочую частоту (из интервала 5...70 МГц) сигнал проходит через корректирующее АЧХ ЦАП звено и подается на 12-разрядный ЦАП с сегментированной архитектурой, подобный рассмотренным выше. На частотах до 40 МГц выходной сигнал этой микросхемы не содержит побочных продуктов преобразования (в том числе зеркального канала), превышающих -52 дБ. Управляющий сигнал, подаваемый через SPI-интерфейс, содержит 32-разрядное слово управления частотой, коэффициенты интерполяционного фильтра и умножителя опорной частоты. Микросхема рассчитана на работу с усилителем, имеющим программно управляемый коэффициент передачи. Преимуществом применения такой ИМС является то, что вся ВЧ часть выполнена в цифровом виде в одном чипе, а также и наличие встроенного DDS. Недостатком можно считать ограниченный частотный диапазон и относительно высокий уровень паразитных составляющих в спектре выходного аналогового сигнала (до -48 дБ на 70 МГц), что обусловлено цифровыми методами формирования гетеродинного сигнала и последующей его обработки. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дайте характеристику аналого-цифровые преобразователи в радиопередатчиках 2. Дайте характеристику цифро-аналоговые преобразователи 3. Дайте характеристику ЦАП общего применения для НЧ трактов, систем управления и контроля передатчиков 4. Дайте характеристику сспециализированные быстродействующие ЦАП с высоким разрешением для цифровых передатчиков 5. Дайте характеристику цифровые модуляторы и преобразователи частоты ЛЕКЦИЯ 11. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ Классификация радиоприемных устройств может быть произведена по любому признаку. Так приемные устройства отличаются по назначению, видом принимаемого сигнала, по месту установки и т.п. Ниже приведем наиболее важные примеры классификации приемных устройств. 1. По назначению радиоприемные устройства делятся на: - профессиональные (приемники радиосвязи, радиоуправления, радионавигации, радиотелеметрии); - бытовые (для приема программ звукового и телевизионного вещания). В зависимости от места установки профессиональные приемники различают: - стационарные; - бортовые (судовые, самолетные, спутниковые). Бытовые приемники в зависимости от сложности и качества делятся на классы (I - IV) и могут быть переносными, автомобильными и т.д. 2. По виду принимаемых сигналов различают приемники: а) непрерывных сигналов (различают по виду модуляции - АМ, ЧМ, ФМ, приемники однополосных сигналов); б) дискретных сигналов. Приемники дискретных сигналов в свою очередь делятся на: - приемники импульсной модуляции (импульсно-кодовая модуляция, дельта модуляция и т.д.); - приемники телеграфии (и зависимости от вида манипуляции сигнала подразделяются приемники амплитудного, частотного и фазоразностного манипулирования). 3. По диапазону частот различают приемники: - НЧ (низких частот) (30-ЗООкГц); - СЧ (средних частот) (300-ЗОООкГц); - ВЧ (высоких частот) (3-ЗОМГц); - ОВЧ (особо высоких частот) (30-ЗООМГц); - УВЧ (ультравысоких частот) (300-ЗОООМГц); - СВЧ (сверхвысоких частот) (3-ЗОГГц). 4. По схеме построения тракта усиления сигналов до детектора: - приемники прямого усиления; -супергетеродинные приемники с однократным, двукратным и многократным преобразованием частоты. Классификацию приемных устройств можно продолжить и по другим характерным параметрам - способу питания, конструктивному выполнению и т.д. Структурные схемы радиотрактов приемников Выше было указано, что радиотракта приемников обеспечивают усиление сигналов и их частотную фильтрацию от помех. Для усиления сигналов применяются усилительные устройства различного назначения, а для фильтрации используются частотно-избирательные цепи. В зависимости от структуры радиотракта различают следующие типы приемников: - приемники прямого усиления; - супергетеродинные приемники. Приемники прямого усиления Структурная схема такого приемника может быть представлена следующим образом (рис. 1.1). Рис.1. 1 В состав приемника прямого усиления входят: - входная цепь, обеспечивающая связь антенно-фидерной системы с первым каскадом приемника; - усилитель радиочастоты, обеспечивающий необходимое усиление на радиочастоте и частотную избирательность приемного устройства; - амплитудный детектор; - усилитель звуковой (видео) частоты. Как правило, этот усилитель обеспечивает основное усиление сигналов. В том случае, когда в схеме отсутствует усилитель радиочастоты, такой приемник называется детекторным приемником. Следует отметить, что приемники прямого усиления обладают малой чувствительность в силу того, что при малых сигналах амплитудный детектор обладает малым коэффициентом передачи по мощности, что приводит к возрастанию коэффициента шума приемного устройства. К недостаткам приемников прямого усиления следует отнести: - изменение основных параметров радиотракта при перестройке по диапазону, в первую очередь изменяется полоса пропускания радиоприемного тракта. Действительно, полоса пропускания приемника определяется по формуле , где- частота настройки колебательного контура, - коэффициент затухания колебательного контура (этот показатель слабо зависит от частоты настройки колебательного контура). Как следует из представленной формулы, с увеличением частоты настройки будет увеличиваться и полоса пропускания. - если в радиотракте необходимо перестраивать одновременно несколько контуров, то появляются дополнительные трудности, связанные с системой настройки, если требуется получить хорошую избирательность по соседнему каналу; - трудность получения большого коэффициента усиления на радиочастоте, обычно коэффициент усиления на радиочастоте не превышает 100. Для этих целей применяются усилители радиочастоты двух типов: регенеративного типа и сверхрегенеративного типа. Усилитель регенеративного типа позволяет получить большой коэффициент усиления при малом числе активных элементов, но отличается большой нестабильностью коэффициента усиления. Сверхрегенеративные усилители более устойчивы к внешним условиям, но обладают большим коэффициентом шума. - на высоких частотах трудно обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу при перестройке по частоте в широких пределах. Приемники прямого усиления в настоящее время применяются в основном как индикаторы электромагнитного поля. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите не достатки приемников прямого усиления 2.Опишите состав приемника прямого усиления 3. Дайте характеристику по назначению радиоприемные устройства делятся на: 4. Дайте характеристику по диапазону частот различают приемники: 5.Что такое радиоприемные устройства? ЛЕКЦИЯ 12. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ РАДИОПРИЕМНИКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Контрольные вопросы: Структурные схемы радиоприемных устройств различаются пре­жде всего построением цепей высокой частоты. Наиболее простым является принцип построения приемника пря­мого детектирования (детекторного), структурная схема которого представлена на рис. 3.4. Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность радиоприемного устройства, настройка на частоту принимаемого сигнала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ. Принципиальным является отсутствие усиления сигнала до детек­тора (Д), ведущее к значительному упрощению устройства приемни­ка, но одновременно обусловливающее его низкую чувствитель­ность и избирательность. Указанные недостатки такой схемы не устраняются наличием усилителя частоты модуляции (УЧМ). Вследствие этого в настоящее время радиоприемные устройства прямого детектирования применяются практически лишь в милли­метровом, децимиллиметровом и оптическом диапазонах волн. Структурная схема приемника прямого усиления представлена на рис. 12.1 [3]. От описанного выше этот приемник отличается нали­чием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого ра­диосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем ВЦ обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную изби­рательность и значительное (до 106... 107 по напряжению) усиление сигнала. Рис. 12.1 Структурная схема приемника прямого детектирования   Рис. 12.2 Структурная схема приемника прямого усиления При необходимости получения большого усиления УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет тех­ническую реализацию перестройки по частоте. Трудности, связан­ные с многокаскадностью УРЧ, позволяют устранить использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечиваю­щих большее усиление на каскад. Однако такие усилители облада­ют повышенными искажениями, относительно низкой устойчиво­стью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применя­ются редко, в частности, в портативных приемниках СВЧ диапазона. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть прису­щие схеме прямого усиления недостатки не удается. Поэтому в на­стоящее время радиоприемные устройства прямого усиления приме­няются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах. Значительное улучшение большинства показателей радиоприем­ного устройства достигается на основе принципа преобразования частот принимаемого сигнала - переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила по­строенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника (рис 12.3) [3]. В таком приемнике сигналы частоты fc преобразуются в преобразователе частоты, состоящем из смесителя (См) и генерато­ра вспомогательных колебаний - гетеродина (Г), в колебания фикси­рованной, так называемой промежуточной частоты fпр, на которой осуществляются основное усиление и частотная избирательность. Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с перемен­ным параметром, поэтому в результате воздействия принятого сиг­нала и колебаний гетеродина с частотой fг на его выходе возникают колебания с комбинационными частотами f=|mfг±nfc|, где т, п- це­лые числа. Одна из этих комбинационных составляющих выделяется фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и использу­ется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усили­ваемого затем усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Обычно используется наиболее интенсивная комбинационная составляющая с т = 1, п = 1, т.е. простое преобразование, но иногда и с m≠1, n=1 (сложное или комбинационное преобразование). При этом можно ис­пользовать как разность частот fг и fс (разностное преобразование), так и их сумму (суммарное преобразование). При наиболее широко применяемом простом разностном преобразовании обычно fпр= fг - fс («верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» настрой­ка с fпр= fс – fг. В обоих случаях fг выбирается так, чтобы fпр была ниже границы диапазона рабочих частот (fпр < fc min). Рис. 12.3 Структурная схема супергетеродинного приемника Для того чтобы fпр оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот (fc min…fc max) осуществляется сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетеродина. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, которая в процессе преобразования должна сохраняться, преобразователь частоты должен быть линейным по отношению к сигналу, несмотря на принципиально нелинейный характер происходящих в нем процессов. Следовательно, при преобразовании частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих. Поскольку радиочастотные цепи обладают в большинстве случаев относительно широкой полосой пропускания, они обеспечивают лишь предварительную частотную избирательность (селекцию), вследствие чего ВЦ и УРЧ называют преселектором. Основная же избирательность приемника реализуется в тракте промежуточной частоты. Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в принципе достигнуть устойчивого малошумящего усиления в УРЧ. Поэтому в диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровых и оптических волн радиоприемники чаще всего не имеют УРЧ, при этом функция предварительной избирательности ложится полностью на ВЦ, а к характеристикам преобразователя частоты, в частности шумовым, предъявляются повышенные требования. Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту имеет следующие преимущества: - возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обратных связей; - сужения полосы пропускания без усложнения фильтрующих (резонансных) цепей; - упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимости перестройки. Однако преобразование частоты обусловливает и ряд особенностей супергетеродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и характеристики радиоприемных устройств. К таким особенностям относят: - образование побочных каналов приема, по которым в тракт радиоприемника проникают различные помехи; - влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку приемника; - возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну. При высоких требованиях к избирательности по побочным каналам приема приходится применять двух- или трехкратное последовательное преобразование частоты, понижая ее до основной промежуточной, на которой и достигаются обычно необходимая избирательность по соседнему каналу и усиление. Как при суммарном, так и при разностном преобразовании, возможно, такое преобразование частоты, когда fпр > fc max. Такой супер-гетеродинный приемник называется инфрадином и отличается тем, что при его работе в диапазоне частот перестраивается только гетеродин, а преселектор может либо не перестраиваться вообще (широкополосные преселекторы), либо перестраиваться переключением входных фильтров (фильтровые преселекторы) [3]. Высокую промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью другого преобразователя. Достоинствами инфрадина являются возможность значительного подавления побочных каналов за счет высокой избирательности более сложных и совершенных непере-страиваемых ВЦ, а также упрощение настройки. Недостатки - опасность перегрузки усилительных элементов широкополосных входных каскадов посторонними мешающими сигналами и повышение требования к стабильности частоты высокочастотного гетеродина. Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других системах с беспоисковой настройкой приемника. Рассмотрим более подробно основные особенности супергетеродинной схемы построения радиоприемных устройств, являющейся наиболее совершенной и распространенной в настоящее время. Многие из этих особенностей обусловлены образованием ложных сигналов, называемых соседними и побочными каналами приема, по которым в тракт радиоприемного устройства проникают различные помехи с частотами fп. Основной канал приема образуется полосой пропускания приемника, в какой находится спектр сигнала. Соседний канал приема - это канал на частоте fск, примыкающий к основному каналу на частоте fс. Вследствие недостаточной избирательности приема он не отфильтровывается преселектором и об­разует в преобразователе частоты сигнал с  ,по­падающий в полосу пропускания УПЧ и поэтому усиливаемый и обрабатываемый наравне с полезным сигналом. Основная мера борьбы с помехами по соседнему каналу - повышение избира­тельности УПЧ. Общую формулу для частот всех побочных каналов приема можно в принятых ранее обозначениях записать в виде fпр = (mfг ± fпр)/n, где знак «плюс» соответствует «нижней» на­стройке гетеродина, знак «минус» - «верхней». Зеркальный, или симметричный канал образуется внешней по­мехой на частоте fп= fзк = fг + fпр=fc+ 2fnp (m=1,n=1) при «верх­ней» настройке или fп= fзк = fг - fпр=fc - 2fnp - при «нижней». Если эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то в пре­образователе частоты появляется составляющая с частотой |fзк-fг|=fпр, т.е. такой же, какую образует полезный сигнал. В ре­зультате происходит наложение спектров полезного сигнала и по­мехи, и их частотная фильтрация становится невозможной. Для ос­лабления помех по зеркальному каналу необходимо повышать час­тотную избирательность преселектора. Увеличение fпр позволяет лучше отфильтровать в преселекторе эту составляющую, отстоя­щую от частоты полезного сигнала на 2fпр, но при этом затрудняет­ся обеспечение высокой избирательности УПЧ с полосой пропуска­ния, сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Если тре­бования к ослаблению помех по соседнему и зеркальному каналам очень жесткие, применяются два-три последовательных преобразо­вателя частоты. Прямой канал приема, или канал промежуточной частоты обра­зуется, когда помеха имеет частоту fп =fпр (m= 0, n=1) и без преоб­разования в преобразователе частоты проходит в тракт УПЧ. Ос­новные меры борьбы - включение в ВЦ режекторного фильтра (фильтра-пробки) на частоту fпр и повышение избирательности пре­селектора. Частоты, близкие к fпр, могут образовываться также в результате преобразования помех на гармониках гетеродина (m=2, 3, ...; n= 1; виде fп = (mfг ± fпр), на своих гармониках с участием гетеродина (m = 1; n = 2, 3, ... ; виде fп = (fг ± fпр)/n), на комбинационных частотах (m = 2, 3, ...; n = 2, 3, ...). Основными мерами по ослаблению этих побочных ка­налов приема являются снижение уровня гармоник гетеродина, по­вышение линейности преселектора, выбор соответствующего ре­жима работы смесителя. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Приведите обобщенную структурную схему радиоприемного устройства. 2. Как можно классифицировать радиоприемные устройства? 3. Дайте определение основным показателям радиоприемных устройств. 4. Изобразите структурные схемы различных вариантов построения радиоприемных устройств. 5. Произведите сравнительную оценку приемника прямого усиления и супергетеродинного приемника. 6. Каким образом возникает «зеркальная» помеха и как можно ее уменьшить? 7. Какие меры следует принимать для повышения реальной чувствительности радиоприемника?