Дипломная работа: Измеритель коэффициента шума

Для оценки показателей применим десятибалльную шкалу оценивания. Показатели качества разрабатываемого продукта и аналога, их оценки и коэффициенты весомости сведены в таблицу 10.1.

Таблица 10.1 - Сравнение разрабатываемого продукта с аналогом

Из таблицы 10.1 видно, что разрабатываемый научно-технический продукт имеет более высокий показатель эксплуатационно-технического уровня по сравнению с продуктом - аналогом.

10.2 Организация и планирование работы

Определим стоимостную оценку затрат, связанную непосредственно с проектированием (разработка технического задания, обзор литературы, разработка структурной схемы, составление принципиальных схем и т.п.).

Трудоемкость работ определяется по сумме трудоемкости этапов и видов работ, оцениваемых экспериментальным путем в человеко-днях и носит вероятностный характер, так как зависит от множества трудно учитываемых факторов, поэтому применяются оценки минимально возможной трудоемкости выполнения отдельных видов работ - tmin, максимально возможной - tmax. Ожидаемое значение трудоемкости - tож рассчитывается по формуле:

  (10.2)

Таблица 10.2 - Перечень работ и оценка их трудоемкости

Учитывая данные таблицы 10.2, построим ленточный график (рисунок 10.1)

Рисунок 10.1 - Ленточный график

10.3 Расчет сметы затрат на разработку

10.3.1 Расчет затрат на материалы

Затраты на материалы можно разделить на затраты проектирования и затраты производства опытного образца ИКШ. Результаты расчета затрат на материалы представлены в таблице 10.3.

Таблица 10.3 - Расчет затрат на материалы

10.3.2 Расчет затрат на заработную плату

Произведем расчет месячного оклада участников проектирования. Смета затрат на разработку состоит из прямых и накладных расходов. В данном случае смета затрат рассчитывается по статьям калькуляции.

Затраты на заработную плату (Зполн) включают в себя основную, дополнительную заработные платы, а также отчисления от заработной платы во внебюджетные фонды

Зполн = (Зосн + Здоп)×(1 + Нсс), (10.3)

где Нсс= 0,26 - коэффициент, учитывающий отчисления во внебюджетные фонды для города Томска.

Месячная заработная плата работников определяется следующим образом:

Зосн = Зд1×Т1 + Зд2×Т2 + Зд3×Т3 + … (10.4)

где Зд1, Зд2 и т.д. - дневная заработная плата исполнителей соответственно;

Т1, Т2 и т.д. - затраты труда исполнителей (взятые из таблицы 10.2);

Зд = Ом/22 - заработная плата за один день;

Ом - месячный оклад работника.

Дневная ставка, помноженная на число рабочих дней, даст заработную плату каждого исполнителя за период разработки.

Дополнительная заработная плата (Здоп) определяется как 30 % (районный коэффициент для города Томска) от основной заработной платы

Здоп = Зосн × 0.3 (10.5)

Таблица 10.4 - Заработная плата исполнителей

Таким образом, полная заработная плата с отчислениями во внебюджетные фонды равна:

Зполн = (78150 + 23600)×(1 + 0.26) = 128200 руб.

Единый социальный налог (ЕСН) составляет 26% от (Зосн+Здоп)

ЕСН = 0.26×(Зосн + Здоп) = 0.26×101800 = 26460 руб.

10.3.3 Расчет отчислений на амортизацию оборудования

При сборке и настройке ИКШ используется анализатор спектра Tektronix 494P, измеритель коэффициента передачи и отражений Р2М-04, мультиметр Mastech MAS-830, микроскоп МБС-10 и ЭВМ.

По формуле (10.6) рассчитаны амортизационные отчисления на пользование этим оборудованием. Результаты расчета приведены в таблице 10.5.

, (10.6)

где  - балансовая стоимость вычислительной техники;

 - коэффициент годовой амортизации радиоизмерительных приборов техники ();

 - время работы техники, час;

 - эффективный фонд времени работы оборудования, час.

Балансовая стоимость вычислительной техники определяется по следующей формуле:

, (10.7)

где  - исходная стоимость техники;

Т - количество лет от покупки.

Таблица 10.5 - Амортизационные отчисления

10.3.4 Расчет накладных расходов

Накладные расходы вычисляются как 20% от всех прямых расходов и равны

ЗНАК = (ЗМАТПОЛ + ЗПОЛН + ЕСН + ЗАО + ЗСТ) ×КНР= (221000+128200+26460+11500+12000) ×0,2 = 80000 руб.

Результаты расчетов, представленные в пунктах 10.3.1 - 10.3.4, сведены в таблицу 10.6.

Таблица 10.6 - Расчет сметы затрат на разработку

10.4 Калькуляция себестоимости опытного образца

Рассчитаем заработную плату инженера и монтажника за пять дней по формуле (10.3):

Зполн = (Зосн + Здоп)×(1 + Нсс),

где Зосн - основная заработная плата инженера и монтажника;

Здоп = Зосн×0.3 - дополнительная заработная плата.

Таким образом, полная заработная плата равна

Зполн = (Зосн + Здоп)×(1 + Нсс) = (5000 + 1500)×(1 + 0.26) = 8190 руб.

Калькуляцию себестоимости опытного образца продукта оформим в таблицу 10.7.

Таблица 10.7 - Себестоимость опытного образца продукции.

10.5 Смета затрат на эксплуатацию продукта

Расчет годовых эксплуатационных затрат складывается из оплаты потребляемой устройством электроэнергии, амортизационных отчислений и затрат на текущий ремонт:

ЗЭКС = ЗЭЛ + ЗАМ + ЗРЕМ, (10.8)

где  - затраты на потребляемую электроэнергию;

кВт - установленная мощность (кВт);

часов - время работы оборудования (час);

руб. - тариф на электричество;

 - затраты на амортизацию разработанного продукта;

 - затраты на текущий ремонт разработанного продукта;

 - балансовая стоимость вычислительной техники;

 - норма отчислений на текущий ремонт

Затраты на амортизацию разработанного продукта определяются по формулам (10.6) и (10.7):

руб.

 руб.

Таким образом, затраты на потребляемую электроэнергию и текущий ремонт равны:

руб.

руб.

Смету затрат на эксплуатацию устройства оформим в таблицу 10.8.

Таблица 10.8 - Смета затрат на эксплуатацию устройства (стоимость аналога 1 млн. руб.)

10.6 Оценка эффективности разработки проекта

Фактический коэффициент экономической эффективности разработки определим, используя следующее соотношение:

, (10.9)

где  - годовой экономический эффект;

 - единовременные капитальные затраты на разработку устройства.

Расчет годового экономического эффекта, полученного в результате меньшей стоимости разрабатываемого проекта по сравнению со стоимостью аналога (если это имеет место) или от улучшения технических параметров.

Для определения годового экономического эффекта воспользуемся следующей формулой:

, (10.10)

где  и  - стоимость (себестоимость) базового и разрабатываемого продукта соответственно;

 - коэффициент учета изменения технико-эксплуатационных параметров разрабатываемого продукта по сравнению с аналогом;

 - коэффициент, учитывающий изменения срока службы разрабатываемого продукта по сравнению с аналогом;

 и  - годовые эксплуатационные издержки потребителя при использовании базового и разрабатываемого продукта соответственно;

 - доля отчисления от стоимости на полное восстановление (реновацию) разрабатываемого продукта. Рассчитывается как величина, равная половине от общей нормы амортизации (в долях единиц);

 - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений. Его размер установлен на уровне ;

 и  - отсутствующие капиталовложения (дополнительные) потребителя при использовании базового и разрабатываемого продуктов;

 - годовой объем выпуска разрабатываемого продукта, в натуральных единицах.

Стоимость измерителя коэффициента шума Agilent N8973A

37 000$ или по курсу ЦБ на 1.12.06 - 1 000 000 руб.

Годовой экономический эффект составляет:

руб

По формуле (10.11) рассчитаем срок окупаемости затрат:

 (10.11)

Таким образом, фактический коэффициент экономической эффективности разработки равен:

Нормативное значение коэффициента эффективности капитальных значений . Так как , то разработка устройства считается очень эффективной.

Заключение

В результате проектирования проведен анализ методов измерения КШ, анализ принципов построения современных ИКШ, была предложена функциональная схема измерителя коэффициента шума, применение которой, с учетом выбранной элементной базы, позволит достичь технических характеристики наилучших современных аналогов. Кроме того, выработана схема электрическая принципиальная блока цифровой обработки сигнала, входящего в ИКШ.

С экономической точки зрения, получаем востребованный на рынке продукт, не имеющий российских аналогов, стоимость которого в несколько раз меньше зарубежных аналогов.

Список использованных источников

[1] К.И. Алмазов - Долженко, “Коэффициент шума и его измерение на СВЧ”, “Научный мир” 2000г.

[2] Афонасова, М. А. Руководство по дипломному проектированию: учебно-методическое пособие / М. А. Афонасова, В. В. Мотошкин, Э. Ф. Сербин, Т. А. Ципилева. – Томск: ТМЦДО, 2000. – 206 с.

[3] Прытков, С.Ф. Надежность электроизделий: учебно-методическое пособие / С.Ф. Прытков, В. М. Горбачева. – М.: ЦНИИИ МО, 2002. – 540 с.

[4] Смирнов, Г.В. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие для дипломников технических специальностей ТУСУРа / Г. В. Смирнов, Л. И. Кодолова. – Томск: каф. РЭТЭМ, 2004. – 78 с.

[5] Федоренко В.А. Справочник по машиностроительному черчению / В. А. Федоренко, А.И. Шошин. – Л.: Машиностроение, 1982. -416 с.

[6] Gilmore, R. Practical RF circuit design for modern wireless systems / R. Gilmore, L. Besser. – Artech House, 2003. – 208 с.

[7] Maas, S. Microwave mixers / S. Maas. – Artech House, 2003. – 128 с.

[8] Motchenbacher, C. Low-noise electronic system design / C. D. Motchenbacher, J.A. Connely. – Wiley-interscience, 1993. – 422 с.

Заключение

Цель данного проекта - разработка блока цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), улучшение технических характеристик ИКШ (собственный коэффициент шума измерителя – не более 8 дБ, полоса пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ: 3 (дополнительно 0.3)) за счет выбора новой элементной базы.

Область применения - ИКШ предназначен для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств в частотном диапазоне от 10 МГц до 4 ГГц; блок ЦОС ПЧ предназначен для оцифровки, фильтрации и детектирования сигнала ПЧ.

Введение

Шумы представляют собой важную проблему в науке и технике, поскольку они определяют нижние пределы, как в отношении точности любых измерений, так и в отношении величины сигналов, которые могут быть обработаны средствами электроники.

Отношение сигнал-шум (с/ш) радиоприемных систем - это очень важный критерий в системах электросвязи. Современные приемные устройства радиолокационных станций, аппаратуры связи, навигации должны обнаруживать и обрабатывать слабые радиосигналы. К факторам, которые ограничивают их чувствительность, относятся собственные шумы приемно-усилительных устройств. Для характеристики уровня собственных шумов приемных устройств и отдельных узлов и блоков применяются параметры: коэффициент шума (КШ) и температура шума входа устройства.

Высокое отношение сигнал шум на выходе приемника означает высокое качество связи аналоговых систем, низкую вероятность ошибки цифровых систем. Достижение этих характеристик путем увеличения мощности передатчика или коэффициента усиления антенны (то есть размеров антенны) не всегда возможно из-за технических и экономических ограничений, поэтому уменьшение генерации шума приемными устройствами часто является единственным путем увеличения помехозащищенности систем связи.

Коэффициент шума приемного устройства или любого линейного четырехполюсника определяется соотношением (тык). Как следует из (тык), коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение сигнала к шуму на выходе четырехполюсника уменьшается по сравнению с аналогичным отношением на его входе. Коэффициент передачи реальных четырехполюсников имеет частотную зависимость, поэтому и коэффициент шума в общем случае также зависит от частоты и полосы частот, в которой производятся измерения.

Методы измерения коэффициента шума

Измерение коэффициента шума сводится к измерению соотношения мощностей шумовых сигналов на выходе исследуемого устройства при определенным образом изменяемом уровне мощности шумового сигнала на его входе.

Наиболее простым и распространенным в повседневной практике методом измерения коэффициента шума приемно-усилительных устройств (ПУУ) является метод двух отсчетов. Метод состоит в поочередной подаче на вход измеряемого устройства шумовых сигналов с известными значениями температуры шума Т1 и Т2 (Т1 < Т2) и измерении уровня сигналов на его выходе. При поочередной подаче на вход измеряемого ПУУ шумовых сигналов показания измерителя мощности будут пропорциональными (тык). Решив совместно (тык) и (тык), получим (тык).

Измерение коэффициента шума приемно-усилительных устройств

Измерение выполняется в два этапа: вначале проводится калибровка измерительного тракта с подключением генератора шума к входу измерителя (тык), при которой измеряется собственный коэффициент шума измерителя во всем частотном диапазоне при двух различных температурах источника шума (включенное и выключенное состояние ГШ). Далее присоединяется исследуемое устройство между выходом ГШ и входом измерителя и проводится измерение его характеристик (тык).

Структурная схема, описание работы

При выборе схемы построения ИКШ я опирался на результаты обзора современных измерителей коэффициента шума и технические требования, предъявляемые в задании на проектирование (диапазон рабочих частот, полоса пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ). Выбор аналогов осуществлялся по следующим критериям:

ИКШ должен отвечать современным требованиям и отображать главные принципы построения современных приборов;

ИКШ должен иметь перспективную конструкцию.

По этим критериям были отобраны измерители коэффициента шума фирмы Agilent Technologies. Таким образом, структурная схема ИКШ будет выглядеть так, как показано на (тык). ИКШ состоит из следующих основных блоков: преобразователь частоты; блок синтезаторов частот; ЦОС ПЧ (блок цифровой обработки сигнала ПЧ); блок управления;

модулятор ГШ.

Преобразователь частот осуществляет перенос спектра шумового сигнала из входного диапазона 0,01…4 ГГц на промежуточную частоту, в блоке производится необходимое усиление и фильтрация сигнала. В качестве сигналов гетеродинов используются сигналы из блока синтезаторов частот. В блоке цифровой обработки (ЦОС ПЧ) сигнал оцифровывается, фильтруется и детектируется. Блок управления предназначен для управления работой блоков ЦОС ПЧ, синтезаторов частот, модулятора ГШ и обмена данных с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает панорамное отображение результатов измерений и выполняет ряд вычислительных функций. Модулятор ГШ используется для управления полупроводниковым генератором шума, а также для обеспечения питания ГШ стабилизированным напряжением.

Для преобразователя частоты выбрана супергетеродинная схема с тройным преобразованием частоты, аналогичная примененной в преобразователе частот ИКШ фирмы Agilent. При первом преобразовании частоты используется высокая промежуточная частота (Fпч1 = 9470 МГц), что позволяет подавить частоты зеркального канала (Fзерк = 18,95 ГГц - 26,94 ГГц) ФНЧ с фиксированной настройкой. При втором преобразовании частоты, сигнал переносится на более низкую промежуточную частоту (Fпч2 = 1070 МГц). Частота зеркального канала (Fзерк2 = 7,33 ГГц) подавляется полосовым фильтром первой промежуточной. При третьем преобразовании частоты, сигнал переносится на третью промежуточную частоту (Fпч3 = 70 МГц). Частота зеркального канала (Fзерк3= 930 МГц) подавляется полосовым фильтром второй промежуточной частоты

Принцип работы ИКШ

Шумовой сигнал из диапазона входных частот 10 - 4000 МГц поступает на входной управляемый аттенюатор. Входной аттенюатор предназначен для регулирования уровня мощности входного сигнала. Ослабление аттенюатора регулируется в диапазоне 0 дБ - 60 дБ с шагом 20 дБ. Усиленный малошумящим усилителем сигнал переносится вверх на частоту МГц. С помощью входного ФНЧ осуществляется подавление частот выше 5 ГГц, которые могут ввести усилители преобразователя в насыщение. На частоте  сигнал усиливается и его спектр переносится вниз на частоту МГц. Полосно-пропускающий фильтр, расположенный перед вторым смесителем подавляет паразитные каналы второго преобразования. Третий смеситель осуществляет частотное преобразование на третью промежуточную частоту МГц. На частоте  сигнал усиливается, проходит через набор переключаемых полосно-пропускающих фильтров, определяющих полосу измерения, и поступает в блок цифровой обработки, где оцифровывается, фильтруется и детектируется. На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным процессором (DSP) и результаты измерений отображаются на ЭВМ.

Результирующий коэффициент шума преобразователя частоты определяет собственный коэффициент шума ИКШ и не должен превышать требуемый в задании. По техническому заданию требуется обеспечить собственный коэффициент шума измерителя - не более 8 дБ. Выбор элементной базы блока РПТ-04 начнем с активных элементов.

К техническим характеристикам первого смесителя предъявляются особенно жесткие требования, так как: первые каскады цепи очень сильно влияют на коэффициент шума всей цепи в целом, следовательно, нужно подобрать смеситель с минимально возможными вносимыми потерями и минимально возможным значением коэффициента шума. Что же касается второго и третьего смесителя, то к ним предъявляются менее жесткие требования. При выборе второго и третьего смесителей важно учесть вносимые потери, а также обратить внимание на их цену и доступность.

К техническим характеристикам усилителей предъявляются следующие требования:

·        возможность работы в данном диапазоне частот;

·  как можно меньший коэффициент шума;

·  достаточный коэффициент усиления;

·  доступность и низкая цена.

К техническим характеристикам пассивных элементов схемы (фильтрам, аттенюаторам, переключателям) относится вносимое затухание, чем оно меньше, тем меньше значение коэффициента шума всего тракта.

По техническому заданию требуется обеспечить следующие значения полосы пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ: 3 МГц (дополнительно 0.3 МГц). Для обеспечения двух полос измерения требуются два ППФ настроенных на одну частоту, но имеющих различные полосы пропускания. В качестве таких фильтров были выбраны ППФ на поверхностных акустических волнах (ПАВ) фирмы SAWTEK, они обладают компактными размерами и выпускаются большим количеством производителей с различными характеристиками. Многие производители выпускают серии ПАВ фильтров на 70 МГц и 140 МГц. Фильтры этих серий отличаются только полосами пропускания, поэтому значение третьей промежуточной частоты принято равным 70 МГц.

Результаты расчетов собственного коэффициента шума и коэффициента усиления всего радиоприемного тракта в программе СВЧ - моделирования Microwave Office 2004 представлены на плакате (тык). Как видно из графика требование по собственному коэффициенту шума измерителя - не более 8 дБ, заложенное в ТЗ, выполняется.

Структурная схема блока ЦОС представлена. Обычно, прежде чем подвергнуться реальному аналого-цифровому преобразованию, аналоговый сигнал проходит через цепи нормализации, которые выполняют такие функции, как усиление, аттенюация (ослабление) и фильтрация. Для подавления нежелательных сигналов вне полосы пропускания необходим ФНЧ или ПФ. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это устройство, которое осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. При преобразовании (или так называемом процессе дискретизации) происходит замер амплитуды сигнала, и его величина записывается в числовой двоичной форме. АЦП производит выборку с постоянной частотой (частотой дискретизации), которая задается внешним опорным генератором. Использование отдельного опорного генератора для АЦП является предпочтительным, поскольку сигнал внутреннего генератора может иметь высокий уровень шумов и привести к возникновению эффекта дрожания апертуры в АЦП, увеличивающего уровень шумов преобразования. В связи с быстрым развитием технологии смешанной аналогово-цифровой обработки сигналов, АЦП и ЦАП оснащаются цепями нормализации, а также буферами памяти, специально предназначенными для связи с ПЛИС.

При выборе АЦП важно учесть такие характеристики как: разрядность, частота дискретизации, SINAD, SNR, SFDR, наличие управляемых логических входов (Dither, Randomizer, PGA - усилитель с программируемым коэффициентом усиления), а также обратить внимание на их цену и доступность. Analog Devices и Linear Technology - мировые лидеры в производстве интегральных схем (ИС) для преобразования сигналов. ИС AD9461 и LTC2208 - первые представители нового семейства быстродействующих 16-битных АЦП, обеспечивающие высокую максимальную частоту дискретизации 130 МГЦ, удобные в применении, имеющие высокие динамические характеристики и при этом весьма конкурентоспособную цену.

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) означает передачу цифровых данных дифференциальными сигналами. Это направление передачи данных использует очень малые перепады дифференциального напряжения (до 350 мВ) на двух линиях печатной платы. Дифференциальный метод передачи используется в LVDS, поскольку обладает меньшей чувствительностью к общим помехам, чем простая однопроводная схема. Достоинством дифференциального метода является то, что шумы, наводящиеся на двухпроводной линии, симметричны и не нарушают дифференциального сигнала

В экономической части дипломного проекта произведен расчет сметы затрат на разработку. В качестве аналога для сравнения с разрабатываемым устройством использовался измеритель коэффициента шума (ИКШ) Agilent N8973A.

Дополнительно:

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits - ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП и определяется следующим образом:

Динамический диапазон, свободный от гармоник (SFDR) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению пикового побочного спектрального состава.

Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD или S/N+D) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов всех других спектральных компонентов, включая гармоники.

Отношение сигнал/шум или отношение сигнал/шум без гармоник (SNR) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов всех других спектральных компонент, исключая первые пять гармоник.