Перечень сокращений 3

1.3. Цель работы

Целью данного дипломного проектирования является разработка цифрового эхолота. Цифровой эхолот измеряет глубину водоёма и выводит результаты на цифровые индикаторы. Данное устройство просто в исполнении и не требует больших денежных вложений. Также он неприхотлив в использовании и поможет определить хорошее глубокое место для ловли рыбы.

2. Специальная часть

2.1. Принцип работы устройства

Технические характеристики:

Напряжение источника питания, В..............6

Потребляемый ток, А.............................~0.32

Импульсная мощность излучения, Вт......~15

Мертвая зона, м........................................

Предел измеряемой глубины, м................59.9

Инструментальная погрешность, м....±0.094

Габариты корпуса прибора, м.....200х150х75

Масса прибора, кг........................................0.6

Цифровой эхолот может быть использован для измерения глубины водоемов и определения рельефа дна, поиска затонувших предметов, а также нахождения наиболее перспективных мест для рыбной ловли. Структурная схема, поясняющая устройство и принцип действия эхолота, показана на рис.1.

Рис.1 Структурная схема

"Задающий генератор G1 управляет взаимодействием узлов прибора и обеспечивает его работу в автоматическом режиме. Он генерирует тактовые импульсы и импульсы образцовой частоты. Тактовые импульсы своим фронтом устанавливают цифровой счетчик РС1 в нулевое состояние, закрывают электронный ключ S1 на время прямого приема сигнала приемником Р2 от передатчика Р1 и включают временную автоматическую регулировку усиления (ВАРУ) на период процесса реверберации. Спадом тактовый импульс через модулятор М1 запускает передатчик Р1, и пьезоэлектрический датчик BQ1 излучает в направлении дна короткий ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно импульс начала отсчета измерения глубины через модулятор М1 открывает электронный ключ S2, и колебания образцовой частоты F_o₆_p поступают на цифровой счетчик РС1. По окончании работы передатчика электронный ключ S1 открывается, а приемник Р2 после исчезновения реверберационных помех приобретает номинальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна, принимается датчиком BQ1 и после усиления в приемнике Р2 через ключ S1 закрывает ключ S2. Поступление импульсов образцовой частоты в счетчик РС1 прекращается. Измерение закончено, и цифровые индикаторы HG1 показывают измеренную глубину в десятках, единицах и десятых долях метра. Таким образом, за время от излучения зондирующего импульса до приема эхосигнала счетчик РС1 подсчитывает количество импульсов образцовой частоты.

Очередной тактовый импульс вновь переводит счетчик РС1 в нулевое состояние, и процесс повторяется." [1]

2.2. Анализ схемы электрической принципиальной

Принципиальная схема цифрового эхолота представлена на рис. 2.

Рис.2 Схема принципиальная электрическая

"Прибор состоит из пяти функционально законченных блоков: задающего генератора и передатчика (А1), приемника (А2), цифрового блока (A3), цифровых индикаторов (А4) и питания (А5).

Задающий генератор с кварцевым резонатором частоты ZQ1 выполнен на счетчике-генераторе DD1. Тактовые импульсы с вывода 1 DD1 поступают на вывод 6 D-триггера DD2.1, который преобразовывает их в импульсы разной полярности. Сигнал кварцевой стабилизированной частоты 256 кГц с вывода 11 DD1 поступает на вывод 3 двоично-десятичного счетчика-делителя DD4, на выводе 10 которого с коэффициентом деления 32 формируется образцовая частота 8 кГц для счетчика цифрового блока.

Тактовая частота выбрана 7,8 Гц. В связи с острой диаграммой направленности излучателей, особенно с повышенной резонансной частотой, и волнением водоема, проблематично при такой низкой тактовой частоте принять отраженный сигнал. Применение повышенной тактовой частоты несколько увеличивает энергопотребление прибора, но, главное, гарантированно обеспечивает уверенный прием эхосигналов, а также отслеживание рельефа дна при движении плавательного средства.

Для получения точности отсчета, равной 0,1 м, образцовая частота генератора выбрана из условия:

F_o₆_p = V / 2d = 1500 / 0,2 = 7500 Гц,

где V - скорость звука в воде, равная 1500 м/с; d - требуемая точность измерения в метрах. В данном приборе по техническим причинам F_o₆_p = 8 кГц, что не отражается на точности измерений (d = 0,094 м)

Применение кварцевой стабилизации частоты задающего генератора существенно повысило стабильность работы и точность измерений эхолота.

Передатчик состоит из генератора и усилителя мощности зондирующих импульсов. Генератор зондирующих импульсов собран на элементах DD5.1-DD5.3. Он генерирует импульсы частотой 1200 кГц, которая затем делится на 2 D-триггером DD2.2. На микросхеме DD3 собран буферный каскад, согласующий триггер с усилителем мощности, выполненным по двухтактной схеме на составных транзисторах VT3, VT4 и трансформаторе Т1. С вторичной обмотки Т1 электрические колебания частотой 570 кГц поступают на датчик- излучатель BQ1. Работа генератора разрешена при наличии уровня логического «0» на выводах 1,2 DD5.1 и 8, 10 DD2.2. Разрешающий импульс в начале каждого цикла измерения поступает с обратного вывода 2 микросхемы DD2.1 и формируется модулятором, работающим в ждущем режиме, выполненным на транзисторах VT1, VT2. До прихода разрешающего импульса работа генератора заблокирована наличием положительного напряжения на выводах 1, 2 DD5.1 и 8, 10 DD2.2.

Приемник (усилитель эхосигналов) эхолота состоит из предварительного резонансного усилительного каскада, выполненного по каскадной схеме на транзисторах VT7, VT8, и оконечного каскада на микросхеме К174ХА2. На вход приемника сигнал поступает через защитную цепочку R43-VD4-VD5, ограничивающую входной сигнал на время работы передатчика. Выбор микросхемы К174ХА2 обоснован высоким коэффициентом усиления, хорошей линейностью и стабильностью ее параметров, обусловленных действием отрицательных обратных связей во всех ее каскадах. В результате действия системы АРУ изменение напряжения сигнала на выходе не превышает 10 дБ при изменении сигнала на входе на 80 дБ. Усилительный тракт также устойчив к изменению напряжения питания. Так, при изменении напряжения питания от 15 до 4,5 В коэффициент усиления снижается не более чем на 6 дБ. С применением данной схемы и в сочетании с другими мерами при значительном усилении и чувствительности (около 10 мкВ) удалось избежать самовозбуждения приемника.

Детектор приемника выполнен по однополупериодной схеме на диоде VD7 и конденсаторе С28. С выхода детектора через фильтр R59-C30-R60-C31 сигнал поступает на триггер Шмитта на транзисторах VT10, VT11, который формирует стандартные логические уровни.

В состав предварительного каскада введена схема ВАРУ, предназначенная для подавления реверберационных помех, возникающих из-за многократного отражения зондирующего импульса от дна или поверхности воды, а также от близких акустических неоднородностей: пузырьков воздуха, живых организмов, тепловых неоднородностей среды и т.п. Система выполнена на транзисторе VT9, управляющем элементе ВАРУ, изменяющем коэффициент усиления каскада в широких пределах, и элементах VD6, С20, R50-R53. Длительность заряда конденсатора С20 определяется постоянной времени цепи R53-C20, а нижний уровень напряжения - номиналом резистора R50 и длительностью разрядного импульса.

Цифровой блок и блок цифровых индикаторов собраны на микросхемах DD6-DD13. В их состав входят электронные ключи на элементах DD6.1, DD6.2, RS-триггер на элементах DD6.3, DD6.4, трехразрядный счетчик DD7-DD9, буферные усилители DD10-DD13 и индикаторы HG1-HG3.

С выхода приемника через инвертор DD5.4 сигнал поступает на электронный ключ DD6.1. Ключ DD6.1 в начале каждого цикла измерения открывается с задержкой времени. Схема задержки прохождения сигнала на время работы передатчика выполнена на элементах DD6.1, R5, R16, R17, C10. На вывод 2 DD6.1 подаются отрицательные импульсы с прямого выхода 1 D-триггера DD2.1, а на вывод 1 DD6.1 - импульсы эхосигналов с выхода приемника.

Принцип работы схемы основан на периодическом заряде-разряде конденсатора С10, наличие напряжения на котором определяет состояние элемента DD6.1. Время разряда конденсатора С10 зависит от величины сопротивления резисторов R16, R17. Ключ S2 выполнен на элементе DD6.2. Импульс начала отсчета измерения глубины поступает от модулятора передатчика через транзистор VT5 на RS-триггер и вывод 6 DD6.2, а импульс окончания отсчета - с выхода 3 ключа DD6.1 через транзистор VT6 на вывод 6 DD6.2. Сигнал образцовой частоты поступает на вход 5 ключа DD6.2 и с его выхода 4 - на трехразрядный счетчик DD7-DD9. В нулевое состояние счетчик устанавливает фронт тактового импульса, поступающий на входы R микросхем DD7-DD9.

Для питания эхолота использована аккумуляторная батарея GB1 напряжением 6 В и емкостью 6 Ач. Аккумуляторная батарея GB1 питает преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах VT12, VT13. С преобразователя повышенное напряжение 20...30 В поступает на три независимые стабилизатора напряжения СН1-СН3, питающие: усилитель мощности передатчика, усилитель эхосигналов, блок задающего генератора частоты и передатчика вместе с цифровым блоком и блоком цифровых индикаторов. Стабилизаторы напряжения собраны на микросхемах КР142ЕН2Б и КР142ЕН8А." [2]

2.3. Выбор элементной базы

В таблице 2 представлен список всех компонентов системы.

Таблица 2

Позиция	Характеристика	Наименование	Количество
R1	43 КОм	С2-23	1
R2, R45	8,2 КОм	С2-23	2
R3, R48	82 КОм	С2-23	2
R4	30 КОм	С2-23	1
R5, R6, R8	3,6 КОм	С2-23	3
R7, R10, R19, R20	6,8 КОм	С2-23	4
R9, R18	15 КОм	С2-23	2
R11	100 Ом	С2-23	1
R12, R13, R17	1 КОм	С1-4	3
R14	340 Ом	С2-23	1
R15	200 КОм	С2-23	1
R16	4 КОм	C2-23	1
R21-R42	1 КОм	С2-23	22
R43	1,2 КОм	С1-4	1
R44	330 Ом	С1-4	1
R46	7,5 КОм	С1-4	1
R47	1 МОм	С2-23	1
R49	160 Ом	С2-23	1
R50, R56, R68, R70	560 Ом	С2-23	4
R51	68 КОм	С2-23	1
R52	27 КОм	С2-23	1
R53, R63	10 КОм	С2-23	2
R54	1,5 КОм	C2-23	1
R55	750 Ом	С2-23	1
R57, R73, R75	47 КОм	С2-23	3
R58	12 КОм	С2-23	1
R59, R60	3,3 КОм	С2-23	2
R61	56 КОм	C2-23	1
R62	110 КОм	С2-23	1
R64	22 КОм	С2-23	1
R65	3,9 КОм	С2-23	1
R66	56 Ом	С1-4	1
R67, R69	5,6 КОм	С2-23	2
R71	3,8 Ом	С1-4	1
R72	2 КОм	С2-23	1
R74	4,7 КОм	С2-23	1
С1	20 мкФ	К50-29	1
С2, С3	15 нФ	К10-17Б	2
С4, С5, С7, С8, С13, С16, С17, С25, С40, С41, С42	0,1 мкФ	К10-17А	11
С6, С23,	68 нФ	К10-17Б	2
С9	470 мкФ	К50-29	1
С10, С21, С22	47 нФ	К10-17Б	3
С11, С12	30 нФ	К10-17Б	2
С14, С20	1 мкФ	К50-29	2
С15, С19	0,15 мкФ	К10-17Б	2
С18, С26, С27	75 нФ	К10-17Б	3
С24	10 нФ	К10-17Б	1
С28, С30, С31	6,8нФ	КД-2	3
С29	4,7 мкФ	К50-29	1
С32, С35	0,33 мкФ	К10-17Б	2
С33	10 мкФ	К50-29	1
С34	1000 мкФ	К50-29	1
С36	33 нФ	К10-17Б	1
С37, С38, С39	220 мкФ	К50-29	3
VT1, VT2, VT5, VT6, VT7, VT10, VT11	КТ315Б	Транзистор Заменим на КТ3102	7
VT3, VТ4	КТ972Б	Транзистор	2
VT8	КП302А	Транзистор	1
VT9	КТ3102А	Транзистор	1
VT12, VT13	КТ817Б	Транзистор	2
VD1-VD6	КД522А	Импульсный диод	6
VD7	КД409А	Импульсный диод	1
DD1	К176ИЕ5	Микросхема	1
DD2	К561ТМ2	Микросхема	1
DD3	К561ЛН2	Микросхема	1
DD4	К176ИЕ2	Микросхема	1
DD5, DD6	К561ЛА7	Микросхема	2
DD7, DD8	К176ИЕ4	Микросхема	2
DD9	К176ИЕ3	Микросхема	1
DD10-DD13	К561ПУ4	Микросхема	4
DA1	К174ХА2	Микросхема	1
DA2, DA3	КР142ЕН2Б	Микросхема	2
DA4	КР142ЕН8А	Микросхема	1
T1	М1000НМ, 16х8х6	Ферритовый сердечник	1
Т2	2000HH, К20х12х6,0	Ферритовый сердечник	1
L1	1000НН	Катушка	1
L2	1000НН	Катушка	1
L3	1000НН	Катушка	1
L4	1000НН	Катушка	1
HG1-HG3	SA03-11SRWA	LED дисплей	3
ZQ1	РК46	Кварцевый резонатор	1

следующая страница >>