Гирокомпас "Гюйс"

Допустимая пульсация напряжения нагрузки U_н~ = 0,1 В.

Частота импульсного преобразователя.

С ростом частоты, с одной стороны, уменьшаются габариты входного фильтра, а также дросселя и конденсатора импульсного преобразователя, с другой – увеличиваются потери в активных элементах (транзисторах и диодах). Основываясь на примерах приведенных в работах [2, 3] можно сделать вывод, что оптимальная частота лежит в пределах 70¸100 кГц. Исходя из этого принимаем частоту преобразования f_п = 85 кГц.

 

1.5.2. Расчет импульсного преобразователя.

Электрическая схема преобразователя  представлена на рис. 1.5,б.

Расчет производится по методике изложенной в [2]:

Режим понижения:

1. Принимаем ориентировочно h_ст = 0,9.

2. Определяем минимальное и максимальное  значения относительной длительности (коэффициент заполнения) импульса  напряжения на входе фильтра:

     (1.1)

g_max = 1

3. Из условия сохранения режима непрерывности токов дросселя определяем его минимальную индуктивность:

      (1.2)

4. Вычисляем произведение LC по заданному значению пульсации напряжения на нагрузке

     (1.3)

и определяем индуктивность дросселя (с током I_L ³ I_н.max = 1А) и емкость конденсатора из условия равенства их масс с учетом (1.2) и (1.3).

Таким образом индуктивность дросселя L = 0,5 мГн, а емкость конденсатора С =1 мкФ.

5. Амплитуда тока через конденсатор  С равна:

     (1.4)

Действующий ток  через  конденсатор

     (1.5)

6. Определяем среднее и предельные  значения тока, протекающего через дроссель, при U_{n max} и I_{н max}:

I_{L ср.} = I_{н max} = 1А                (1.6)

I_{L min} = I_{н max} - I_{C max}             (1.7)

I_{L min} = 1 – 0,07 = 0,93А

I_{L max} = I_{н max} + I_{C max}            (1.8)

I_{L max} = 1 + 0,07 = 1,07А

7. Задаемся значением  I_Кm = (1,2 ¸ 2)I_{L ср} и с учетом частоты преобразования выбираем регулирующий транзистор по току и напряжению I_Кmax > I_Кm или I_Кmax > I_{L max}, U_{СИ max} > (U_п + DU_п).

Таким образом транзистор должен отвечать следующим условиям: ток стока I_Кmax > 2А, напряжение сток исток U_{СИ max} > 28В

8. Выбор импульсного диода проводится  с учетом частоты преобразования по прямому току и обратному напряжению

I_пр > I_{L max} = 1,07А,

U_обр. > U_{п max} = (U_п + DU_п) = 28В.

 

Режим повышения:

1. Принимаем h_ст = 0,9..

2. Определяем минимальное, номинальное и максимальное значения относительной длительности открытого состояния регулирующего транзистора:

     (1.9)

 

     (1.10)

 

     (1.11)

3. Из условия обеспечения режима  непрерывности токов дросселя  определяем его минимальную индуктивность

      (1.12)

, что меньше чем в режиме  понижения.

4. Определяем   средний,   минимальный   и   максимальный   ток дросселя:

I_{L ср.} =       (1.13)

I_{L ср.} =

    (1.14)

I_{L max} = 2×I_{L ср.}- I_{L min}     (1.15)

I_{L max} = 2×2,6 - 2,3 = 2,9А, что в 2,9 раза выше, чем в режиме понижения.

5. Задаемся значением  I_Кm = (1,2 ¸ 2)I_{L ср} и с учетом частоты преобразования выбираем регулирующий транзистор по току и напряжению I_Кmax > I_Кm, U_{СИ max} > U_{н max} .

Таким образом транзистор должен отвечать следующим условиям: ток стока I_Кmax > 5,2А (это намного выше чем в режиме понижения), напряжение сток исток U_{СИ max} > 28В.

6.  Выбираем  силовой диод  с  параметрами:

I_пр > I_{L max} = 2,9А,

U_обр. > U_{п max} = 28В,

t_{вос.обр.} << 1/f_п » 12мкс.

 

 

 

1.5.3. Расчет входного фильтра.

Электрическая схема фильтра представлена на рис. 1.9,б.

Кроме исходных данных представленных в п.1.5.1. для расчета потребуются данные из расчета преобразователя (см.п.1.5.2): g_min = 0,6; g_max = 1. Кроме того, зададим изменение тока через дроссель при открытом регулирующем транзисторе DI_L = 0,1А.

Расчет  производится по методике изложенной в [2]:

1. Определяем действующий ток через   конденсатор С:

      (1.16)

2. С учетом f_п и U_{С max} > U_{п max} = 28 В выбираем конденсатор HITANO серии ESX на 100 мкФ и 50 В с допустимым импульсным током I_Cmax = 5 А и действующим током I_CД1 = 0,35 А, сопротивлением r_п = 0,036 Ом и фактической емкостью на частоте f_п = 85 кГц, С = 0,8 • 100 = 80 мкФ.

3. Определяем   число  конденсаторов

N_C = I_CД/I_CД1     (1.17)

N_C = 0,2/0,35 » 1 шт.

4. Вычисляем амплитуду импульсного  тока через один конденсатор  на интервалах времени gТ и (1 - g)Т:

     (1.18)

     (1.19)

5. Амплитуда пульсации напряжения на конденсаторе

     (1.20)

6.  Вычисляем индуктивность дросселя

     (1.21)

 

1.6. Разработка печатной платы.

Разработка печатной платы производилась средствами системы автоматизированного проектирования P-CAD 2001. Данная САПР выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

• графический ввод электрических схем,
• моделирование смешанных аналого-цифровых устройств,
• упаковку схемы на печатную плату,
• интерактивное размещение компонентов,
• ручную, интерактивную и/или автоматическую трассировку проводников,
• контроль ошибок в схеме и печатной плате и выпуск документации,
• анализ целостности сигналов.

При разработке печатной платы использованы рекомендации по проектированию плат для импульсных стабилизаторов напряжения (Layout Guidelines for Switching Power Supplies) [11], разработанных специалистами компании National Semiconductor.

При проектировании высокочастотных  импульсных стабилизаторов напряжения, очень важно правильно выполнить разводку и расположение компонентов на плате. Это может решить большинство проблем высокочастотных преобразователей. Проблемы из-за некачественной разводки и расположения компонентов наиболее сильно проявляются на высоких токах и напряжениях.  Одни из главных проблем – это  потеря регулирования при высоких выходных токах и/или большая разность напряжений между входом и выходом преобразователя, чрезмерный шум на выходе и неустойчивость. Следование простым рекомендациям, поможет минимизировать эти проблемы.

Катушка индуктивности.

Желательно использовать катушку  индуктивности на ферритовом сердечнике в кожухе. Индуктивность без кожуха может использоваться, если она имеет низкий уровень электромагнитных помех и расположена в дали от чувствительных к помехам цепей (аналоговых с малыми токами) и компонентов. Хорошим решением является расположение катушки индуктивности таким образом, чтобы линии электромагнитного поля были перпендикулярны поверхности печатной платы, тогда также можно обойтись без кожуха. Сердечник катушки обычно испускают наиболее нежелательный шум.

 

Обратная связь.

По возможности цепь обратной связи  необходимо прокладывать как можно  дальше от катушки индуктивности  и “шумящих” цепей питания. Также необходимо стремиться к тому, чтобы цепь обратной связи была по возможности прямой и толстой. Из этих двух принципов приоритетным является первый. Также хорошей идеей, является расположение цепи обратной связи на стороне печатной платы, которая противоположна той, где установлена катушка индуктивности, а в качестве разделителя использовать “земляной” слой металлизации.

 

Конденсаторы фильтра.

Керамические конденсаторы входного фильтра должны располагаться как  можно ближе к выводам питания  микросхем. Это по возможности устранит многие нежелательные эффекты, связанные с индуктивностью трасс и даст микросхемам более чистое напряжение питания. Использование конденсаторов для поверхностного монтажа уменьшает общую длину соединений и снижает шанс наведения помех через антенну, созданную отверстиями компонентов.

 

Печатные проводники и “земляной” слой металлизации.

Все сильноточные цепи и цепи питания необходимо делать по возможности короткими, прямыми и толстыми трассами. Хорошей практикой является выполнение печатных проводников абсолютным минимумом 15 mils (0.381мм) на ампер тока.

Катушка индуктивности, выходные конденсаторы и выходной диод должны располагаться как можно ближе друг к другу. Это помогает уменьшать электромагнитные излучения, вызванные прохождением больших токов через них. Это также уменьшит общую индуктивность и сопротивление дорожек, что в свою очередь уменьшает шум, и потери на сопротивлении, которые искажают выходное напряжение. Фильтрующие конденсаторы, выходные конденсаторы и выходной диод располагаются близко друг к другу и связаны непосредственно “земляной” областью металлизации. Также хорошим решением является расположение “земляного” слоя металлизации с обеих сторон печатной платы. Это также уменьшит шум, сокращая ошибки проводников шины земли, а также увеличит поглощение электромагнитных излучений от катушки индуктивности.

Для многослойных печатных плат с  больше чем двумя слоями, слой металлизации земли может использоваться, чтобы отделить слой питания (где расположены цепи питания и компоненты) и сигнальный слой (где расположены цепи обратной связи и компоненты).

 

Понижение высокой температуры.

При использовании некоторых микросхем или мощных внешних ключей, металлизированную поверхность печатной платы можно использовать как радиатор. В этом случае медная область печатной платы, используя чтобы передать высокую температуру от устройства. Информацию относительно использования печатной платы как радиатора для того или иного специфического устройства можно найти в технической документации на него (datasheet). Это зачастую может устранить потребность во внешнем радиаторе.

 

С учетом изложенных рекомендаций была разработана печатная плата сборочный чертеж которой представлен в графическом приложении к дипломному проекту.

 

2. РАЗРАБОТКА  ПРОГРАММЫ ДЛЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА.

В рамках данного раздела приведено  обоснование выбора микроконтроллера, его краткое описание, разработка алгоритма программы и текст готовой программы.

2.1. Выбор микроконтроллера.

Прежде всего, необходимо определиться с архитектурой и производителем микроконтроллера. Для этого проведем сравнительный анализ микроконтроллеров различных архитектур и производителей, после чего произведем выбор конкретной модели с требуемыми параметрами.

2.1.1. Выбор архитектуры микроконтроллера.

На сегодня существует две концепции, лежащие в основе организации  работы микроконтроллеров,  это так  называемая CISC-архитектура (Complete Instruction Set Computing или архитектура с расширенным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer или архитектура с сокращенным набором команд).

Наиболее ярким представителем CISC является архитектура MCS-51, предложенная компанией Intel более 20 лет назад и ставшая промышленным стандартом в области встраиваемых систем управления. Архитектура оказалась настолько удачной, что за два десятилетия развития она не претерпела каких-либо значительных изменений. По номенклатуре кристаллов семейство MCS-51 не имеет себе равных среди 8-разрядных встраиваемых микропроцессоров. На сегодняшний день компания Intel не занимается выпуском данных изделий, но по лицензии Intel микроконтроллеры выпускают огромное количество производителей полупроводниковой техники, в частности Dallas Semiconductor, Philips, Temic, OKI, Siemens и др. [19].

Помимо множества достоинств архитектура MCS-51 имеет и ряд недостатков. Общеизвестен факт, что наиболее “ узкими “ местами архитектуры MCS-51 являются медленное АЛУ на базе аккумулятора, через который вынуждены “ просачиваться “ все операнды и безмерно долгое время выполнения инструкций (12 машинных тактов). Кроме этого стандартный 51 микроконтроллер позволял себе даже такую роскошь как холостые командные циклы. Были изобретены различные способы повышения производительности как то: увеличение тактовой частоты, уменьшение количества тактов на инструкцию, исключение холостых циклов и даже такой хитроумный способ как совмещение в одном микроконтроллере двух систем команд - подсемейство MCS-251. Но за подобное ускорение приходилось платить повышенным энергопотреблением и стоимостью, что совершенно лишало семейство MCS-51 всех преимуществ в низко стоимостных и критичных к потреблению применениях [16].

Также среди CISC архитектуры заслуживают внимания (для решения данной задачи) микроконтроллеры семейства MC68HC08 компании Motorola [18].  Это семейство, первые представители которого появились в 1994 году, представляет собой эволюционное продолжение 68HC05 с полностью статической архитектурой, повышенной производительностью и расширенными функциональными возможностями. По сравнению с 68HC05 новое семейство имеет большую производительность, и ряд новых периферийных устройств, таких как:

• контроллер прямого доступа к памяти ПДП с тремя независимыми каналами, реализующий обмен блоками данных между памятью и внешними устройствами без участия процессора;
• 12-разрядный 6-канальный ШИМ-контроллер;
• модуль расширения адресации внешней памяти до 16 Мбайт.

 Реализация концепции RISC-архитектуры  в 8-разрядных микроконтроллерах существенно расширила среду их применения. К традиционным приложениям таких МК (телекоммуникации, системы сбора данных, системы охраны, автоэлектроника, системы отображения информации и т. д.) сегодня прибавляются такие, где раньше использовались только более мощные 16- и 32-разрядные процессоры с функцией цифровой обработки сигналов, например, обработка видеосигналов и векторное управление электроприводом. Продвижение 8-разрядных RISC-микроконтроллеров на этот рынок произошло во многом благодаря тому, что они нередко предлагают оптимальное соотношение производительности и цены [17].

Основные отличительные особенности RISC-архитектуры это:

• сокращенный набор команд выполняемых в идеале за один машинный такт (почему сократился набор команд — понятно: чем команда короче, тем быстрее она считывается и выполняется)
• разделение доступа между памятью программ и памятью данных, увеличение разрядности шины, по которой считываются инструкции до 12, 16 и даже 22 разрядов, что позволило использовать очень мощные команды
• отказ от архитектуры с регистром-аккумулятором в пользу регистрового файла, где каждый регистр “сам себе аккумулятор“, что позволило ещё больше поднять производительность процессора.