Мой диплом

1 1.1

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Обзор аудиокомплексов различных фирм-производителей

Аудиокомплексы, представленные на современном рынке можно разделить на следующие категории [1]: — микросистемы (аппараты с небольшими габаритными размерами и выходной мощностью 5-20 Вт, в состав такой системы обычно входит ПКД, тюнер, кассетная дека, УМ с двухполосными или широкополосными акустическими системами; все блоки конструктивно исполненные в одном корпусе); — минисистемы (аппараты со средними габаритными размерами и выходной мощностью 20-160 Вт, в состав такой системы обычно входит ПКД, проигрыватель мини-дисков, тюнер, однокассетная или двухкассетная дека, эквалайзер с анализатором спектра, AV-процессор, УМ с двухполосными или трехполосными акустическими системами; все блоки конструктивно исполненные в одном корпусе); — мидисистемы (аппараты с большими габаритными размерами и высокими качественными показателями выходной мощностью 50-200 Вт, в состав такой системы обычно входит ПКД, проигрыватель мини-дисков, тюнер, однокассетная или двухкассетная дека, эквалайзер с анализатором спектра, AVпроцессор, УМ с трехполосными акустическими системами и сабвуфером; конструктивно исполненные как отдельные блоки); — аудиосистемы из отдельных компонентов (высококачественные системы, составленные из конструктивно законченных аппаратов). Помимо своих обязательных функций (высококачественное воспроизведение звуковых сигналов c различных носителей, прием монофонических и стереофонических радиосигналов, высококачественное усиление звуковых сигналов от любого источника, перезапись с компакт-диска, тюнера и аудиокассеты на аудиокассету) все вышеуказанные системы предполагают наличие

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

дополнительных сервисных функций [1]. Перечислим наиболее существенные из них: Кассетная дека: — микропроцессорное управление – централизованное электронное управление с помощью микроконтроллера, позволяющее ввести ДУ на все функции деки; — автореверс – позволяет воспроизведение кассеты с обеих сторон, без извлечения ее из кассетоприемника, а также непрерывное воспроизведение двух сторон по кругу; — системы шумоподавления и динамического подмагничивания; — поиск фрагментов – автоматический поиск выделенных участков на ленте, а также поиск фонограмм по паузам между ними, автоматическая перемотка пустых участков ленты; — ускоренная перезапись с кассеты на кассету; — автоматическая калибровка – автоматическая калибровка по ленте тока записи и подмагничивания; — параллельная и последовательная запись (для двухкассетных дек); — сквозной канал записи – воспроизведения. Проигрыватель компакт–дисков: — воспроизведение: по программе / в случайном порядке / по кругу; — интеллектуальный монтаж – автоматический подбор порядка воспроизведения для точной записи на сторону кассеты (по времени ее звучания); — память дисков – запоминание установленной программы воспроизведения на диске при отключении питания либо извлечении диска; — CD–text – вывод на индикатор названия трека; — цифровой выход – для записи на мини–диск; — поиск пикового уровня – для точной регулировки уровня записи при перезаписи на кассету.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Тюнер: — фиксированные настройки – произвольный доступ к заранее предустановленным радиостанциям; — автосканирование – автоматическая последовательная настройка на радиостанции по всему диапазону; — информационная система RDS (Radio Data System) – цифровая информационная система для передачи текстовых данных в цифровом виде в диапазоне УКВ; — радиоуправляемые часы – часы, время на которых устанавливается по радиосигналу, поступающему от атомных часов и транслируемому в диапазоне ДВ (77,5 кГц). Усилитель мощности: — ручная плавная регулировка тонкомпенсации; — наличие режима домашнего кинотеатра Dolby Pro Logic Surround и режима окружающего звучания Dolby Surround; — наличие эквалайзера и анализатора спектра. Помимо вышеперечисленных функций мини/миди системы могут иметь дополнительные функции, такие как: — автоматическое включение/выключение по будильнику или системе RDS; — наличие встроенных звуковых эффектов, позволяющих изменять звучание. В качестве примера рассмотрим несколько аудиокомплексов различных категорий и фирм–производителей [2], результаты обзора сведем в табл. 1.1.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 1.1 Технические характеристики аналогов проектируемого устройства Параметр (функции) \ SONY Sherwood Technics SONY CMT–ED1A

P757

SC–CA10

LBT–D905

1

2

3

4

микро

мини

миди

15

50

60

70

0.2

0.1

0.09

0.05

Графический эквалайзер

–

+(5)

–

+(парам.)

Предустановки эквалайзера

3

–

15

–

Анализатор спектра

–

+

–

+

Тембры НЧ, ВЧ

–

–

+

–

Звуковые эффекты

–

–

–

–

УКВ2/СВ

УКВ2/СВ

RDS

–

–

+

–

Память станций

20

30

39

30

Таймер

+

–

–

+

Чувствительность, мкВ (IHF)

2

1.8

1.8

1.6

Переходное затухание, дБ

32

35

35

36

1 бит

1 бит

MASH

1 бит

Память дисков

–

–

5

5

CD–text

–

–

+

+

+/+/+

+/+/+

+/+/+

+/+/+

Модель Класс

отд. компоненты

Усилитель Выходная мощность Коэффициент гармоник, % (1 кГц, 6 Ом)

Тюнер Диапазоны

УКВ2/СВ/ДВ УКВ2/СВ/ДВ

ПКД ЦАП

Воспроизведение: прог./случ./круг.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1

2

3

4

Интеллектуальный монтаж

+

+

+

–

Цифровой выход

–

+

–

+

Динамический диапазон, дБ

85

90

90

90

1

2

2

1

+

+

+

+

Автореверс

+

+

+

+

СШП Dolby

В

В,С

В,С

В,С,S

Поиск фрагментов

+

+

+

+

Ускоренная перезапись

–

+

+

–

Синхрозапуск с CD

+

+

+

+

Калибр уровня записи

авт.

авт./ручн.

авт./ручн.

авт./ручн.

Коэффициент детонации, %

0,15

0,1

0,1

0,1

Кассетная дека Одинарная(1), двойная(2) Микропроцессорное управление

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.2 Акустические особенности воспроизведения звуковых сигналов в помещениях Известно, что качество звучания воспроизводимой программы зависит от параметров всех звеньев звукового тракта: источника сигнала, воспроизводящего устройства, усилителя звуковой частоты, акустических систем и, что немаловажно, помещения для прослушивания [3,4]. В бытовой среде помещение для прослушивания – это комната, в которой, кроме акустических систем и слушателя, находятся самые различные предметы, влияющие на распространение звука от громкоговорителя к слушателю. В общем же случае это студия, представляющая собой замкнутый воздушный объем, который, являясь колебательной системой с распределенными параметрами, существенно влияет на временную структуру сигнала источника звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Воздух, заполняющий помещение, имеет определенную упругость и массу оказывает сопротивление распространяющейся в нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объем закрытого помещения рассматривается как сложная многорезонансная колебательная система с распределенными параметрами. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колебания. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать лишь для помещений простых

4 22

2

S

25

50

75

85

100

f, Гц

Рисунок 1.1 Спектр собственных частот

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

геометрических форм. В помещениях малого объема 3 V < λ , где λ - длина волны возбуждающего колебания, спектр собственных частот имеет дискретную структуру (рис 1.1) [5], где цифрами сверху показаны повторяющиеся частоты (количество повторений). Вследствие этого отдельные составляющие спектра возбуждающего колебания усиливаются, что сопровождается искажением тембра звучания. Как видно из рис. 1.1, лишь в области нижних частот (даже для помещений такого небольшого объема) можно говорить о дискретной структуре спектра собственных частот. С повышением частоты этот спектр уплотняется. Покажем на примере искажения спектра акустического сигнала в бытовом помещении. Измерения проводились для средней жилой комнаты, объемом порядка 50 – 60 м3, с использованием двухполосной акустической системы класса HI – FI [3]. На рис.1.1а. показана АЧХ двухполосной системы громкоговорителей среднего класса объемом около 15 дм3, измеренная в заглушенной камере, т. е. при отсутствии отражений.

а

б

Рисунок 1.1 АЧХ АС а) в заглушенной камере, б) в жилой комнате на расстоянии 1м

На рис.1.1б и 1.2а приведены частотные характеристики той же системы, измеренные в жилой комнате при установке измерительного микрофона на

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

расстоянии 1 и 2.5 м от источников звука, а на рис.1.2б – АЧХ, полученная путем усреднения большого количества измерений.

а

б

Рисунок 1.2 АЧХ АС а) в жилой комнате на расстоянии 2.5 м, б) полученная путем усреднения Как видно из графиков, на некоторых участках спектра произошли существенные искажения АЧХ достигающие порой 10 дБ. Из приведенных выше исследований следует, что АЧХ акустических систем нуждается в коррекции, для более естественного восприятия звуковых программ. Также отсюда следует, что характер и глубина этой коррекции зависят от следующих факторов: а) акустические параметры помещения; б) акустические параметры и характеристики АС. Во всех существующих ныне аудиокомплексах данная коррекция осуществляется вручную «на слух» с помощью регуляторов тембра или эквалайзеров, что не совсем точно позволяет скорректировать АЧХ и при смене акустических систем или помещения для прослушивания процесс необходимо неоднократно повторять. Поэтому возникает необходимость разработки устройства, которое бы автоматически осуществляло коррекцию в течении короткого промежутка времени и могло бы включаться в звуковой тракт любого аудиокомплекса.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.3 Особенности построения корректоров АЧХ Регуляторы частотных характеристик являются неотъемлемой частью любого звуковоспроизводящего устройства и предназначены для регулирования уровня сигналов в определенных частотных полосах, позволяющего изменять характер всей звуковой картины. На практике такие регуляторы становятся весьма эффективным средством воздействия на искусственно воспроизводимую звуковую картину, в результате которого ее можно приблизить к естественному звучанию. К регуляторам частотных характеристик относятся: • частотно-зависимые регуляторы громкости («физиологические»); • регуляторы тембра (регуляторы нижних и верхних частот); • регуляторы «эффекта присутствия»; • многополосные регуляторы (эквалайзеры); • фильтры ограничения передаваемой полосы частот (антишумовые фильтры нижних и верхних частот); • регулирующие схемы для улучшения пространственного слухового впечатления (псевдостереофонические эффекты, расширение стереофонической базы, Dolby Surround ).

• К регуляторам в частотной области относятся и многие устройства студийных и сценических звукотехнических комплексов, которые позволяют путем электронной обработки сигналов придавать звуковому материалу самые разнообразные, весьма впечатляющие эффекты звучания («флэнжинг», «фэйзинг» и др.).

1.3.1 Эквалайзеры Регулирование АЧХ усилителя в отдельных участках частотного диапазона осуществляется с помощью эквалайзеров, которые преимущественно Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

представляют собой регулируемые полосовые фильтры 2-го порядка («корректор Боде» на рис. 1.3) [6]. Передаточная функция корректора: ω 02 + p H ( p) = H 0

α max =

ω 02 + p

∆H 1 + ∆H

ω0

ω0 Q

Q

α + p2

(1 − ε ) + p 2

α min = 1 − α max

Здесь Н0 - постоянное основное усиление, а определяет величину подъема или спада характеристики на центральной частоте f0 = ω0/2π. Добротность Q

Рисунок 1.3 Передаточная функция корректора определяет избирательность фильтра. Она связана с шириной пропускания фильтра ∆f на уровне —3 дБ зависимостью Q = f0/∆f. Классификация и углубленный анализ схемы приведены в [7].

1.3.1.1

Эквалайзер с постоянной шириной полосы частот

Эквалайзеры с постоянной шириной полосы частот могут реализовываться, например, как «октавные фильтры» (центральные частоты полос разнесены на одну октаву) или как «третьоктавные фильтры» (центральные частоты полос разнесены на 1/3 октавы – терцию). Для расчета параметров эквалайзера f0 и Q задаются количеством N – Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

частотных полос обработки, верхней и нижней граничными частотами (fmax) и (fmin) [6]. Точные значения центральных частот полос f0; рассчитываются по формуле: 2 ( N − i ) +1 2 i −1     f 0,i = ( f max ) 2 N  ⋅ ( f max ) 2 N  i=1,2….N    

Центральная (среднегеометрическая) частота: f 0, m =

f max ⋅ f min

Шаговый коэффициент (шаг разноса центральных частот): f K =  max  f min

  

1

N

=

f 0,i +1 f 0 ,i

На практике в качестве центральной fо,m частоты выбирают 1 кГц, а шаговый коэффициент К = 21/M, где М – количество частотных полос на октаву. Например, для третьоктавного эквалайзера шаговый коэффициент К = 21/3 = 1,26, для октавного эквалайзера К = 21/l =2. Добротность Q при максимальном подъеме или спаде АЧХ следует выбирать из условия: Q=

K K −1

Для третьоктавных фильтров Q = 4,32 (К = 1,26), и для октавных Q = 1,41 (К = 2).

1.3.1.2 Эквалайзер с параллельными цепями На рис. 1.4 показана схема 10-полосного эквалайзера, состоящего из отдельных полосовых фильтров. Входной согласующий усилитель нагружен на сопротивление R1/N = 10 кОм/10 = 1 кОм (N - число фильтров). Это сопротивление является минимальным для эквалайзера; другой способ решения схемы входа эквалайзера состоит в том, что вход делается раздельным, для чего используются несколько согласующих усилителей. Общий для всех фильтров выЛист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ходной сигнал получается на сумматоре. Результирующее усиление эквалайзера регулируется путем вычитания входных сигналов на RВ = RА/(N — 1), т. е. происходит компенсация основного усиления кпер = 1 каждого отдельного фильтра. Удовлетворяя этому требованию, можно добиться того, что на краях полосы пропускания форма частотной характеристики будет выдерживаться точно. Недостаток схемы состоит в том, что на выходе суммируется шум всех полосовых фильтров. Увеличение шума в линейном режиме (т.е. когда коррекция не введена) составляет U GA = N ⋅ U K , что равносильно последовательному включению эквалайзеров. С1

С2

Рисунок 1.4 Эквалайзер с параллельными цепями (одна полоса).

1.3.1.3 Эквалайзер с R-L-С режекторным фильтром Еще один класс корректоров образуют эквалайзеры с режекторными (заграждающими) фильтрами, образованными последовательными резонансными контурами R=L=C (рис. 1.5). Когда потенциометр R1 находится в одном из крайних положений, на работу схемы никакого влияния он не оказывает. В по-

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ложении потенциометра «+» схема работает как неинвертирующий усилитель. В положении «-» операционный усилитель работает как повторитель напряжения, и сопротивления на входе R и Z образуют пассивный делитель напряжения:

H ( p) =

αR + α (1 − α ) R1 + Z (1 − α ) R + α (1 − α ) R1 + Z R

R R

C

L

Рисунок 1.5 Эквалайзер с R-L-С режекторным фильтром

При параллельном включении потенциометров R1 в многополосных эквалайзерах их взаимное влияние оказывается очень сильным, особенно в крайних положениях потенциометров. Избавиться от этого влияния, т.е. обеспечить развязку фильтров можно, если для каждой частотной полосы использовать отдельный корректор с заграждающим фильтром. При этом сигналы всех эквалайзеров суммируются на общем выходе.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.4 Элементная база и способы управления отдельными устройствами 1.4.1 Шина I2C В начале 80-х годов специалистами фирмы PHILIPS была предложена шина I2С [8] для передачи в микропроцессорных системах сигналов управления некритичных к скорости передачи. Отличительными особенностями шины являются: — низкие затраты на организацию связей между устройствами — варьирование скорости передачи данных в зависимости от типов подключаемых устройств. Физическая организация шины. Двунаправленная асинхронная последовательная шина I2С (Inter Integrated Circuit) предназначена для передачи данных внутри устройства. Шина содержит две сигнальные линии, по одной из которых передается тактирующий сигнал SCL (serial clock), по другой сигнал данных SDA (serial data) (рис 1.6). Выходы микросхем, работающих на обе линии должны переходить в состояние с высоким выходным сопротивлением при формировании высокого уровня сигнала в линии (соответствует логической «1») то на линиях шины должна реализовываться логическая функция «ПРОВОДНОЕ ИЛИ». При отсутствии передачи данных обе линии находятся в состоянии логической «1».

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

+VDD Rp

Rp

SDA SCL

DATA OUT

SCLK1 OUT

DATA IN

SCLK IN

Прибор 1

Рисунок 1.6 Физическая организация шины I2С Уровень сигнала логической «1» должен быть не менее 0,7 от величины напряжения питания. Рекомендуется выбирать такие величины резисторов, чтобы при формировании в линии сигнала низкого уровня (соответствует логическому «0») выходной ток микросхем был не менее 3мА Уровень сигнала логического «0» должен быть не более 0,3 от напряжения питания. Суммарная емкость каждой линии шины не должна превышать 400пФ, входные емкости микросхем подключенных к линии должны быть не более 10пФ. Длина линии шины не должна превышать 2м. Передача и адресация данных. Информационная посылка (передаваемый пакет данных) имеет переменную длину и состоит из нескольких однобайтовых кодовых слов. Каждый байт содержит восемь информационных и девятый квитирующий бит АСК (acknowledge). Перед началом передачи обе линии находятся в состоянии логической «1». Началом (стартом) передачи является наличие уровня логического «0» в линии данных при уровне логической «1» в линии тактирующего сигнала. ПоЛист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

сле старта начинает вырабатываться последовательность импульсов в линии тактирующего сигнала. Прием с линии данных производится устройствами при уровне логической «1» в линии тактирующего сигнала. Изменения уровня сигнала в линии данных могут производиться только при уровне тактирующего сигнала соответствующем логическому «0». После передачи восьми бит передатчик устанавливает линию данных в состояние логической «1». Девятый (квитирующий) бит имеющий уровень логического «0» поступает в линию от приемника сообщения и подтверждает прием данных. Если после передачи квитирующего бита в обеих линиях установятся уровни соответствующие логической «1» это означает завершение (стоп) передачи данных. Временная диаграмма передачи данных приведена на рис.1.7. Устройства опознают посылаемые им информационные посылки по индивидуальным адресам. В первом после старта байт в линию поступает адрес (7 бит) ведомого устройства с которым ведущее устройство будет обмениваться информацией. Восьмой бит R/W задает направление передачи последующих кодовых слов логический «0» от ведущего узла к ведомому логическая «1» наоборот, те принявшее адрес устройство становится источником информации. После передачи адреса начинается передача данных. Байты передаются начиная со старшего разряда.

dummy acknoledge (HIGH) s_

1

2

7

8

9 АСК

start

sr

Рисунок 1.7 Информационная посылка. Временная диаграмма

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Синхронизация и арбитраж. Сигналы данных и синхронизации для всей системы формируют ведущие устройства (master). Таких устройств в системе может быть несколько. Тактирующие сигналы всех подключенных устройств поступают в линию SCL. Таким образом, в этой линии действует сигнал, полученный в результате выполнения логической операции «ПРОВОДНОЕ ИЛИ» со всеми тактирующими сигналами устройств. При такой организации тактирования ведомое устройство (slave) может снизить до требуемого уровня скорость передачи данных ведущим устройством путем увеличения длительности пребывания сигнала SCL в уровне логического «0». Когда ведомое устройство способно принимать передаваемые с высокой скоростью данные, но не готово (например, обрабатывает в это время внутреннее прерывание), то после перехода сигнала SCL из уровня логической «1» в уровень логического «0» низкоскоростное ведомое устройство должно удерживать его в этом уровне до перехода в состояние готовности. Если к шине I2С подключены несколько ведущих устройств, то их одновременные обращения к шине приводят к конфликтам, которые разрешаются арбитражем. Он выполняется путем анализа в каждом устройстве, ведущем передачу наличия в линии SDA логического «0» при формировании уровня логической «1». В случае. Если на шину одновременно работают два выхода, устройство, первым обнаружившее конфликт на шине должно переключить в высокоомное состояние свой выходной каскад, работающий на линию SDA, пока не появится сигнал стоп. Формирование тактового сигнала в линии SCL это устройство может не прекращать. Временные соотношения . Для нормального функционирования шины I2С необходимо соблюдение нижеприведенных временных соотношений. Длительность периода действия уровня

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

логического «0» в линии SCL должна быть не менее 47мкс, логической «1» не менее 4мкс время нарастания и спада сигнала должно быть не более 1мкс. Задержка фронта сигнала SDA относительно фронта сигнала SCL (сигнал стоп) должна быть не менее 47мкс, задержка спада сигнала на линии SCL относительно спада сигнала на линии SDA (сигнал старт) должна быть не менее 4мкс. Интервал времени между следующими один за другим байтами должен быть не менее 47мкс. Частота тактирующего сигнала может изменяться в диапазоне от 0 до 100 кГц. Максимальная скорость передачи информации по шине составляет около 10кбайт/с.

1.4.2 Описание функциональной схемы цифрового потенциометра Такие особенности проектируемого изделия как автоматическая регулировка тембра предполагают наличие электронного (при помощи микроконтроллера) управления величиной сопротивления регулирующих потенциометров. Поэтому в качестве регулирующих потенциометров целесообразно использовать так называемые цифровые потенциометры, в которых управление величиной сопротивления осуществляется при помощи цифрового кода генерируемого микроконтроллером. На рис. 1.8 приведена схема цифрового потенциометра AD5206 фирмы Analog Devices [9]. Для управления необходимо на вход SDI подать последовательный код, который должен содержать вначале 3 бита адреса потенциометра (одного из 6ти, расположенных в корпусе), а затем 8 бит кода сопротивления. Чтобы запрограммировать все потенциометры, необходимо повторить процедуру 6 раз. Параметры микросхемы: Число каналов: 6 Напряжение питания: 5.5 , ±3. В

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Тип интерфейса: I2C Номинал сопротивлений: 10, 50, 100 Ом Число ступеней регулирования: 256 (8 бит) Ток потребления: 5 мкА CS CLK

RG A2 A1 A0 D7

EN Декодер адреса

D/A

A1 W1

R

B1

DI D0

SDI

D/A Схема установки в «0»

A1 W1

7

R

B1

Рисунок 1.8 Функциональная схема цифрового потенциометра

1.4.4 Описание функциональной схемы контроллера PIC16C74 В разрабатываемом устройстве контроллер предназначен для решения следующих задач: • дискретизация аналоговых звуковых сигналов; • сравнение отсчетов значений дискретизированных сигналов; • вычисление кодов управления цифровыми потенциометрами; Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

• управление элементами принципиальной схемы и синхронизация их работы; Из всего вышесказанного следует, что в микроконтроллере должны находиться следующие функциональные блоки: • АЦП; • арифметическое логическое устройство ( АЛУ ); • параллельный интерфейс ввода-вывода; Все остальные функциональные блоки микроконтроллера являются типичными для всех микроконтроллеров. Эти необходимые нам блоки содержит микроконтроллер из серии PIC-контроллеров PIC16С74 фирмы Microchip, функциональная схема которого представлена на рисунке 1.9 [10].

PIC16C7X - семейство дешевых 8 - битных статических КМОП микроконтроллеров с интегрированными аналого-цифровыми преобразователями. Все PIC16/17 микроконтроллеры используют продвинутую архитектуру RISC. Семейство микроконтроллеров PIC16CXX имеет глубокий стек с восьмью уровнями, они построены по Гарвардской архитектуре, которая позволяет использовать 14 битные командные слова. Основные технические параметры микроконтроллера PIC16С74: • Память программ: 4096х14 бит; • Память данных (ОЗУ): 192х8 бит; • Тактовая частота: 20 МГц; • Количество портов ввода-вывода: 33; • Последовательный интерфейс типа: USART, I2C, SPI; Встроенный АЦП: • Количество каналов: 8; • Разрядность: 8 бит.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рисунок 1.9 Функциональная схема микроконтроллера PIC16С74.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

2 ОБОСНОВАНИЕ ПОСТРОЕНИЯ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМ УСТРОЙСТВА 2.1 Описание структурной схемы устройства Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1. Генератор «белого» шума

ПКД

Магнитофон

Тюнер

Эквалайзер

УМ

Шина I2C

АС Микрофон АС

Рисунок 2.1 Структурная схема аудиокомплекса В состав устройства входят следующие устройства: проигрыватель компакт–дисков, тюнер, магнитофон, эквалайзер (проектируемое устройство, обеспечивающее адаптивную регулировку тембра) совместно с генератором ««белого» шума» и микрофоном, усилитель мощности и акустические системы. Проигрыватель компакт–дисков, тюнер и магнитофон предназначены для воспроизведения музыкальных и речевых программ. Между данными устройствами осуществляется два вида взаимосвязи: электрическая (для передачи зву-

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ковых сигналов от одного устройства к другому) и синхронизирующая (для синхронизации всех устройств, входящих в состав устройства). Опишем работу адаптивного регулятора тембра. При настройке устройства на определенные акустические характеристики помещения для прослушивания используется генератор «белого» шума, сигнал с которого поступает на усилитель мощности. Акустические системы излучают уже искаженный «белый» шум, т.е. шум с неравномерной спектральной плотностью. Как показано выше в главе 1.2 неравномерность возникает из-за акустических систем и акустических свойств помещения. Этот шум с помощью микрофона преобразуется в электрический сигнал и сравнивается с эталонным сигналом, поступающим с того же генератора. На основе результатов сравнения производится коррекция АЧХ тракта воспроизведения с помощью эквалайзера. Связь между отдельными устройствами аудиокомплекса осуществляется с помощью шины I2C. В каждом устройстве есть электронные часы, с помощью которых осуществляется автоматическое включение и выключение каждого из устройств или всего устройства в заданное время. Электронные часы синхронизируются с помощью тюнера, принимающего сигналы точного времени от атомных часов в диапазоне ДВ (77,5 кГц).

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

2.2 Обоснование функциональной схемы устройства 2.2.1 Описание построения функциональной схемы В устройство автоматической коррекции АЧХ (далее автоматический эквалайзер) входят измерительный микрофон и графический эквалайзер. Рассмотрим функциональное построение эквалайзера. Функциональная схема эквалайзера представлена на рисунке 2.2. Функциональную схему эквалайзера можно разделить на 4 основных блока: 1. Собственно графический эквалайзер, управляемый электронным способом при помощи цифрового кода.

2. Измерительный блок, который предназначен для измерения АЧХ помещения.

3. Контроллер, предназначенный для управления всеми элементами устройства.

4. Панель управления (клавиатура), предназначенная для управления эквалайзером и модуль индикации (жидкокристаллический дисплей) для отображения спектра сигнала.

2.2.2 Работа устройства по функциональной схеме Автоматический эквалайзер работает следующим образом: Режим автоматической коррекции АЧХ Генератор «белого» шума, входящий в измерительный блок генерирует «белый» шум, который через полосовые фильтры ПФ1 – ПФ10 разделяется на 10 частотных полос. Сигнал с каждой из полос поочередно с помощью аналогового ключа АК2 поступает на встроенный многоканальный АЦП контроллера, оцифровывается и записывается в ОЗУ того же контроллера в виде десяти 8 – разрядных слов (численные значения от 1 до 256 в двоичном Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

разрядных слов (численные значения от 1 до 256 в двоичном коде). Эти значения являются эталонными, с ними в дальнейшем производится сравнение аналогичных десяти значений поступивших с измерительного блока. После полосовых фильтров осуществляется регулировка каждой из частотных полос с помощью цифровых потенциометров ЦП1, ЦП2. Далее сигналы со всех частотных полос суммируются на сумматоре Σ, и суммарный сигнал поступает в тракт звукоусиления аудиокомплекса, потом звуковой сигнал «белого» шума излучается в окружающее пространство с помощью акустических систем. Измерительный микрофон, который должен располагаться в зоне прослушивания принимает искаженный сигнал не являющийся уже белым шумом. Этот сигнал поступает на микрофонный усилитель МУ, где усиливается до входного уровня полосовых фильтров ПФ1’ – ПФ10’ с помощью которых сигнал разделяется на те же частотные полосы что и эталонный сигнал. При помощи аналогового ключа АК3 сигналы с каждой полосы эталонного сигнала поочередно поступают на вход АЦП контроллера, где они оцифровываются и последовательно сравниваются с эталонными значениями, хранящимися в ОЗУ контроллера. На основе разности этих сигналов контроллер вырабатывает цифровой код для управления цифровыми потенциометрами ЦП1, ЦП2. Далее процесс повторяется с той лишь разницей, что сигналы с эквалайзера больше не поступают на АЦП контроллера и в ОЗУ, а в качестве эталонного сигнала используется сигнал, записанный в ОЗУ. Управление АК1 – АК3 осуществляется с помощью контроллера. Режим ручной коррекции АЧХ. В этом случае вид АЧХ задается вручную с помощью двадцати кнопок клавиатуры, измерительный блок отключается, на входы АЦП контроллера ничего не поступает, сам контроллер используется лишь для управления цифровыми потенциометрами и модулем индикации.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

АК1

ПФ1 ПФ2 ПФ3 ПФ4 ПФ5 ПФ6

ПФ7 ПФ8 ПФ9 ПФ0

ЦП

R1

Выход

R2 R3 R4 R5

PIC-Controller

R6

АК2 ЦП

R7

A/D

2

R8

I/O

R9

I/O

6

14

R10 4

2

ROM OUT

МУ

ПФ1'

CPU

IN RAM OUT

АК3 WR/ RD

ПФ2'

ПФ0'

4

14

6

ГЕНЕРАТОР БЕЛОГО ШУМА

КЛАВИАТУРА

МОДУЛЬ ИНДИКАЦИИ

Рисунок 2.1 Функциональная схема эквалайзера Приведем описание алгоритма дискретизации и сравнения эталонного и акустического сигналов. Как выше указывалось, входной звуковой сигнал с помощью полосовых фильтров разбивается на 10 частотных полос ∆f (рис. 2.3, 2.3а) сигнал каждой s(f)

0.707

f

∆f

Рисунок 2.3 АЧХ полосовых фильтров

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

полосы дискретизируется при помощи встроенных АЦП микроконтроллера с частотой дискретизации fD=1 кГц и разрядностью 8 бит (рис.2.4) на протяжении интервала времени ∆t = 0.5 с. si (t )

S(t)

∆t = 0.5c

∆t D = 1

fD

t

Рисунок 2.4 Дискретизация звукового сигнала Во время дискретизации производится попарное поочередное сравнение дискретизированных отсчетов с целью выбора отсчета с максимальным значением амплитуды сигнала в заданной частотной полосе. Этот максимальный отсчет (рис 2.5) и будет сравниваться с эталонным отсчетом, хранящимся в ОЗУ микроконтроллера. Блок-схема алгоритма реализующего попарное поочередное сравнение отсчетов с целью выбора максимального из них приведена на рис. 2.5. Условные обозначения на схеме: n – количество частотных полос; i – количество анализируемых отсчетов в каждой полосе, i = f D ⋅ ∆t , где fD – частота дискретизации звукового сигнала, ∆t – время анализа частотной полосы; Si(t) – текущий отсчет звукового акустического сигнала; Si*(t) – текущий отсчет звукового эталонного сигнала; SMAX(t) – максимальное значение отсчета акустического сигнала в n – ой полосе;

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1

НАЧАЛО

нет Si (t ) > Si −1 (t )

n = 1...10

да

* S MAX (t ) = S i* (t )

i = 1... f d ⋅ ∆t

S i* (t )

i

S i (t )

нет S (t ) > S (t ) * i

* i −1

* ∆S n = S MAX (t ) −

− S MAX (t )

да

n

* S MAX (t ) = S i* (t )

КОНЕЦ

1

Рисунок 2.5 Блок-схема алгоритма коррекции АЧХ S*MAX(t) – максимальное значение отсчета эталонного сигнала в n – ой полосе; ∆Sn – величина коррекции для n – ой полосы.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3 РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УСТРОЙСТВА 3.1 Расчет генератора белого шума Белый шум, сформированный цифровыми устройствами, представляет собой временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов и называющийся, поэтому псевдослучайным процессом. Цифровая последовательность двоичных символов в цифровых генераторах шума называется псевдослучайной последовательностью, представляющей собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами. Наиболее часто применяются последовательности максимальной «длины» - М-последовательности [11], которые при заданном числе разрядов формирующего их регистра имеют максимальный период повторения. Псевдослучайная цифровая последовательность чаще всего формируется регистрами (последовательными) сдвига, охваченными линейной обратной связью, в общем случае многопетлевой. Для получения сигнала обратной связи в каждой петле используется сумматор двоичного кода (сумматор по модулю 2) или элемент «исключающее ИЛИ». Регистр с определённым числом разрядов может синтезировать несколько видов псевдослучайных цифровых последовательностей в зависимости от структуры

обратной

связи.

Из

всех

таких

последовательностей

М-

последовательности имеют максимальное число символов в периоде повторения кодовой комбинации, поскольку они включают в себя все состояния регистра, кроме нулевого. Такая последовательность двоичных символов чаще всего используется для формирования шума с равномерной спектральной плотностью в рабочем диапазоне частот, который можно назвать «белым» в заданном

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

частотном диапазоне (хотя, строго говоря, «белым» называется шумовой процесс с равномерной спектральной плотностью в бесконечном диапазоне частот). Отклонение нормированной огибающей спектральной плотности М- последовательности от единичного уровня выражается формулой [11]:

 ∆ = 20 lg sin π∆ f  

f  π∆ T  f

2

 f  , T 

(3.1)

где: ∆ - неравномерность спектра, дБ; ∆f – полоса рабочих частот; fT – тактовая частота регистра.

Из этой формулы следует, что при соответствующем выборе отношения ∆ f f T можно добиться достаточно малой неравномерности спектра в заданном диапазоне частот. Формируемая

с

помощью

N-разрядного

регистра

сдвига

М-

последовательность двоичных символов периодична и содержит все (2N-1) двоичных комбинации состояний регистра в одном периоде (кроме нулевой). Величина (2N-1) называется числовым периодом, длительность которого во времени равна:

T

N

=  2 N − 1T =  2 N − 1 f ,   T   T

(3.2)

где ТТ = 1/fT. В связи с периодичностью М-последовательности спектр соответствующего ей сигнала является дискретным (а не сплошным, как у реальных шумовых процессов) [11]. Интервал по частоте между соседними составляющими спектра равен:

δ

f

=1 T

N

=f

 2 N − 1 .  T  

(3.3)

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Из этой формулы следует, что дискретность спектра может быть сделана сколь угодно малой выбором числа разрядов регистра сдвига. Предварительное проектирование цифрового генератора шума сводится к выбору тактовой частоты и числа разрядов регистра сдвига. Тактовая частота fT рассчитывается исходя из заданного диапазона рабочих частот ∆f и допустимой неравномерности спектра ∆ в этом диапазоне. Для расчета fT воспользуемся формулой (1). Исходя из максимальной допустимой fT и δf, число разрядов N регистра определяется по формуле: N = log  f δ  2 T f 

(3.4)

Полученное значение N округляют до целого числа в большую сторону. С целью уменьшения числа используемых элементов и упрощения конструкции целесообразно использование одной обратной связи в регистре. При выборе параметров формирователя шума следует учитывать, что изменение тактовой частоты приводит к пропорциональному изменению диапазона частот ∆f шума и интервала δf для заданной неравномерности спектра ∆.. Для проектируемого устройства был реализован вариант источника шума со следующими параметрами: N=23, fT=150 кГц. Характеристики разработанного генератора: ∆f=20 кГц; ∆=0,5 дБ; δf =0,018 Гц; TN=56 с. Разработанный генератор шума содержит последовательный регистр сдвига, сумматор по модулю 2, тактовый генератор, цепь запуска и низкочастотные пассивные фильтры. Регистр с сумматором по модулю 2 образует непосредственно формирователь М-последовательности. Цепь запуска предотвра-

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

щает появление нулевой комбинации одновременно во всех разрядах регистра при включении питания. Фильтры служат для получения шума с заданными спектральными свойствами.

DD3.3

VD1 D

=1

R1

C1 C

R

DD1 1 4 5 6 3

D1 D2

DD2

RG

D3 D4

D1+4 D2+4 D2+5 D3+4 D4+4 D4+5

13 11 12 10 8 9

1 4 5 6

K176IR10

RG

D3 D4

3

CLK

R2

D1 D2

D1+4 D2+4 D2+5 D3+4 D4+4 D4+5

13 11 12 10 8 9

=1

R VD2 D

CLK K176IR10 R3

DD3.1

DD3.2

=1

R5 R5

C5

C2 C

DD3.4

R4

R

=1

R C3 C

"Белый шум" Выход 1 C4 C

"Розовый шум" Выход 2

C R6 R

R7 R

DA1 2 3

R8 R

R9 R

R10 R

R11 R

R12 R

R13 R

C13 C C11 C

C6 C

C7 C

C8 C

C9 C

C12 C

C10 C

1 8 7 4 5

C15 6

NC NC

C

+U -U GND 140UD12

R16

R R14

R15

R

R

Рисунок 3.2 Принципиальная схема генератора «белого» шума Все элементы цифровой части генератора типовые, фильтр «белого» шума представляет собой обычный ФНЧ, методы реализации которого освещены в [12]. Фильтр «розового» шума имеет некоторые особенности. Дело в том, что для получения «розового» шума из «белого» или М-последовательности необходимо использовать ФНЧ, АЧХ которого с ростом частоты падает с крутизной 3 дБ на октаву. В то же время ФНЧ первого порядка (интегрирующая RC-цепь) имеет АЧХ с крутизной 6 дБ на октаву. Поэтому для реализации

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ФНЧ необходимо использовать кусочно-ломаную аппроксимацию требуемой логарифмической АЧХ (ЛАЧХ) с помощью простейших RC-цепочек. Полная принципиальная схема генератора шума приведена на рис. 3.2. Регистр сдвига выполнен на микросхемах DD1 и DD2 и содержит 23 разряда. Обратная связь реализуется через сумматор по модулю 2 реализованный на микросхеме DD3. Ее сигнал вводится с 18-го разряда регистра на его вход вместе с выходной

последовательностью. Цепь запуска выполнена на элементах

R5 и С5. При включении питания на резисторе R5 образуется скачок напряжения — уровень логической единицы, который выводит регистр из нулевого состояния. Элемент «исключающее ИЛИ» при нулевом потенциале одного из его входов является повторителем логического состояния другого входа. Следовательно, если при включении питания все разряды регистра будут находиться в нулевом состоянии, то элементы DD3.1 и DD3.2 повторяют уровень логической единицы, сформированный при помощи резистора R5. Тогда в первые разряды регистра будет записана логическая единица. После заряда конденсатора С5 на резисторе R5 устанавливается нулевой потенциал и элемент DD3.2 станет повторителем логического состояния выхода регистра и влиять на работу формирователя не будет. При подаче на один из входов элемента «исключающее ИЛИ» логической единицы этот элемент станет инвертором логического состояния второго входа. Это свойство использовано для построения тактового генератора на элементах DD3.3 и DD3.4. В остальном схема тактового генератора типовая. Фильтр «белого» шума выполнен на элементах R3, R4, СЗ и С4. Он представляет собой двухзвенный пассивный ФНЧ. Фильтр «розового» шума содержит четыре аппроксимирующих звена: R8, R9, С6, С7, R10, R11, С8; R12, R13, С9, С10 и С11, С12, образующих совместно с резисторами R6, R7 ФНЧ с АЧХ, спадающей при увеличении частоты с крутизной 3 дБ на октаву. Параллельное соединение элементов R8, R9, С6, С7, R10, R11, С8; R12, R13, С9, С10 и С11, С12 позволяет обеспечить точную настройку АЧХ фильтра. Операцион-

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ный усилитель DA1 на выходе фильтра уменьшает выходное сопротивление генератора и компенсирует уменьшение мощности шума в пассивном фильтре. Резистор

R14

компенсирует

постоянную

составляющую

М-последова-

тельности, равную приблизительно половине напряжения, питающего цифровую часть генератора (+UПИТ).

3.2 Расчет графического эквалайзера

В качестве базовой схемы для графического эквалайзера выберем функциональную схему с использованием полосовых фильтров с постоянной шириной полосы частот [13]. Функциональная схема эквалайзера приведена на рис.3.3 R21 Вх

R1 ПН

R2

Вых

ПФ1 R3

R4

R19

R20

ПФ2

ПФ10

Рисунок 3.3 Функциональная схема эквалайзера на полосовых фильтрах с постоянной шириной полосы частот Для того, чтобы выполнялось условие линейности АЧХ в среднем положении потенциометров R2, R4, R6 … необходимо, чтобы выполнялось равенство: R R + 2 =R , 7 1 2

R 7 = 1.

K г (1 − U ) = − R R + 2 1 2 Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Зная количество полос регулирования N и центральные частоты регулирования, можно определить шаговый коэффициент:

f

0,.i +1  K= = f 0,i 

1

f max  N −1 ,  f min 

(3.5)

где ƒ0,i  центральная частота i-й полосы, ƒmax и ƒmin  соответственно верхняя и нижняя границы частотного диапазона регулировки. По найденному значению шагового коэффициента определяем требуемую добротность полосовых фильтров ПФ1…ПФ10:

Q=

K .

K −1

(3.6)

Определим величины сопротивлений R1, R2, исходя из требуемой глубины регулировки тембра ∆Η. Согласно техническому заданию ∆Η=20 дБ, тогда:

R = 7 = 10 , K U min R 1 отсюда следует, что

R = 0.1R = 7 1

R 7 , ∆Η 10 20

(3.7)

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

аналогично: R 7 K = = 0.1, U min R + R 1 2 и

∆Η R = 9.9 R = R ⋅ 10 20 − R 7 7 2 1

(3.8)

По формуле (3.5), зная fmin и fmax (fmin=f01=31.5 Гц, fmax=f010=16000 Гц) рассчитываем шаговый коэффициент:

f

0,.i +1  K= = f 0,i 

1

1

f max  N −1  16000 10−1 = = 1.998 ≈ 2   f 31.5   min 

Зная шаговый коэффициент по формуле (3.5) рассчитываем центральные частоты каждой из полос: f01=31.5 Гц f02 = f01⋅k = 31.5 ⋅ 2 = 63 Гц f03= f02⋅k = 63 ⋅ 2 = 125 Гц f04= f03⋅k = 125 ⋅ 2 = 250 Гц f05= f04⋅k = 250 ⋅ 2 = 500 Гц f06= f05⋅k = 500 ⋅ 2 = 1000 Гц f07= f06⋅k = 1000 ⋅ 2 = 2000 Гц f08= f07⋅k = 2000 ⋅ 2 = 4000 Гц f09= f08⋅k = 4000 ⋅ 2 = 8000 Гц f010= f09⋅k = 8000 ⋅ 2 = 16000 Гц

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определяем требуемую добротность фильтров по формуле (3.6):

Q=

2 K = = 1.41 .

K −1 2 −1

Далее, исходя из формул (3.7) и (3.8) и зная сопротивление цифрового потенциометра AD5206 R2=100 кОм определяем номиналы резисторов R1 и R7 : R7 = R2/2.2 = 100/9.9 = 10 кОм, R1= 0.1R7 = 1 кОм. Расчет полосовых фильтров эквалайзера

В качестве звена полосового фильтра выбираем звено, имитирующее колебательный контур, построенное на операционном усилителе. Данная схема широко используется при проектировании графических эквалайзеров [13].

DA2.?A Вход

R1

C2

6

Выход 7

5 R

C C1 C

R3 R K1435UD31 R2 R

R3 R

Рисунок 3.4 Звено, имитирующее колебательный контур Данная схема работает устойчиво при добротности колебательного контура Q≤6, что вполне удовлетворяет полученному выше значению добротности Q=1.41. Расчетные соотношения имеют следующий вид:

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ωП =

1 , R ⋅ R ⋅C ⋅C 1 2 1 2

ωH = 0, R ⋅ R ⋅C ⋅C 1 2 1 2 .

Q = П R ⋅ (C + C ) + (1 − k ) ⋅ R ⋅ C 2 1 2 2 2 Если принять С1=С2=С и соответственно R1=R2=R то расчетные соотношения значительно упрощаются:

ωП =

Q

1 , RC

(3.9)

1 = −k П 3

Карта нулей и полюсов для данной схемы представлена на рис. 3.5. jω Р1

Z1

Р2

Рисунок 3.5 Карта нулей и полюсов Для расчета параметров R, C схемы, зададимся величиной постоянной величиной конденсатора С.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Пусть С=4700 пФ. Тогда: Ri=

1 2π ⋅ С ⋅ f

.

0i

Результаты расчета элементов R,C ( по формуле 3.9) сводим в таблицу 3.1. Таблица 3.1 Расчет элементов полосовых фильтров R, кОм ω0,i , рад-1

ƒ0,i , Гц

С, пФ

31.5

197.82

1100

4700

63

395.64

560

4700

125

785

270

4700

250

1570

130

4700

500

3140

68

4700

1к

6280

33

4700

2к

12560

16

4700

4к

25120

8,2

4700

8к

50240

4,2

4700

16к

100480

2,2

4700

3.3 Расчет микрофонного усилителя

В соответствии с ТЗ микрофонный усилитель должен обладать следующими параметрами: • полоса воспроизводимых частот – 20…20000 Гц; • номинальное выходное напряжение – 0.5 В; • номинальное входное напряжение – 1…6 м; • общие гармонические искажения не более – 0.01 %;

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

• взвешенное отношение сигнал / шум не менее – 90 дБ. Данным требованиям полностью удовлетворяет ИМС SSM2017 фирмы Analog Devices [14] со следующими параметрами: • общие гармонические искажения, не более 0.01 %; • частота единичного усиления 1 МГц; • скорость нарастания выходного напряжения 17 В/мкс; • спектральная плотность шумов на выходе 950 пВ/ Гц ; • напряжение питания ±6…±18; • входное напряжение 0.1…1.2 мВ; • выходное напряжение 500 мВ. Схема включения данного микрофонного усилителя представлена на рисунке 3.6.

DA1 2 3 1 8

RG R

7 4 5

6 NC NC +U -U GND 140UD12

Рисунок 3.6 Схема включения микрофонного усилителя SSM2017 Коэффициент усиления определяется резистором RG рассчитывается по формуле: U вых 10кОм = +1. k = U + U − (−U ) R G Из этой формулы по требуемому коэффициенту усиления kU можно определить величину резистора RG:

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

10кОм R = .

G k −1 u

(3.10)

Так как выходное напряжение микрофона Uвых=1 мВ, коэффициент усиления по напряжению равен ku=500, исходя из этой величины определяем сопротивление RG по формуле (3.10): 10кОм R = =20 Ом.

G k −1 u Полосовые фильтры анализатора спектра измерительного блока рассчитываются аналогично полосовым фильтрам графического эквалайзера (см. раздел 3.1).

3.4 Выбор и расчет параметров аналогового коммутатора

Для последовательной коммутации выходов каждого из десяти полосовых фильтров ПФ1 – ПФ10, а также фильтров ПФ1’ – ПФ10’ необходимо использовать аналоговый коммутатор, который должен удовлетворять следующим характеристикам: • количество входов - не менее 10; • входное коммутируемое напряжение - не менее 0.5 В; • переходное затухание – не менее 70 дБ . Данным требованиям отвечает аналоговый ключ (аналоговый мультиплексор) AD7506 со следующими параметрами: • количество аналоговых входов: 16 • переходное затухание: 70 дБ; • напряжение питания: ±15 В; • входное напряжение аналогового входа: 0…15 В; Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

• входное напряжение управляющего цифрового входа: Схема расположения выводов аналогового коммутатора AD7506 приведена на рисунке 3.7.

DA 19 20 21 22 23 24 25 26 11 12 13 14 15 16 17 18 17 16 15 14 1 27

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 A0 A1 A2 A3 VDD VSS

SW

OUT

EN GND

28

18 12

K561IE15

Рисунок 3.7 Схема расположения выводов аналогового коммутатора AD7506 Обозначения на схеме: S1…S16 – входы аналоговых сигналов, А0…А3 – входы кодов управления, номер входа подключаемого к выходу OUT определяется параллельным двоичным кодом который поступает на входы А0…А3, EN – выключение коммутатора.

3.5 Выбор и расчет параметров цифрового потенциометра

Достоинствами цифровых потенциометров являются отсутствие механических движущихся частей и подвижных контактов. Большой диапазон номиналов цифровых потенциометров, малые искажения вносимые ими, малый потребляемый ток позволяют использовать их для регулировки параметров звуковых сигналов с высокой точностью, а главное – автоматически, электронным путем при помощи контроллера. Функциональная схема цифрового потенциометра AD5206 и его основные характеристики приведены в главе 1. Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Основные динамические характеристики этого потенциометра представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 Динамические характеристики цифрового потенциометра AD5206 Значение параметра УсловНаименование ное Условия испытаний параметра обознаМин. Тип. Макс. чение BW_10K RAB=10 кОм 721 Полоса пропускаRAB=50 кОм 137 ния на уровне –3 BW_50K BW_100K RAB=100 кОм 69 дБ, кГц Коэффициент гарTHDW UA=1,414 В, UB=0 В, f=1 кГц 0,004 моник, % 10 кОм 2 Время установлеUA=5 В,UB=0 В,f= 1 50 кОм 9 ts ния до ±1 ЕМР, кГц 100 кОм 18 мкс Спектральная плотность шума, eN_WB RWB=5 кОм, f=1кГц 9 нВ/ Гц Емкость крайних выводов по отноCA,CB f=1МГц 45 шению к общему проводу, пФ Емкость среднего вывода по отношеCW f=1МГц 60 нию к общему проводу, пФ Входная емкость, CIL 5 пФ Для управления AD5206 необходимо на вход SDI подать последовательный код, который должен содержать вначале три бита адреса потенциометра (одного из шести, расположенных в корпусе), а затем восемь бит кода сопротивления. Чтобы запрограммировать все потенциометры, необходимо повторить процедуру шесть раз. Временные диаграммы сигналов на входах и выходах потенциометра приведены на рис.3.8.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рисунок 3.8 Временные диаграммы работы AD5206. При использовании AD5206 в качестве потенциометра напряжение на его выходе находят по формуле: U

W

= U (D/2 N ), A

где D – значение кода на входе потенциометра, выраженное в десятичной системе; N – количество разрядов управляющего кода. Напряжение UB в этом случае равно нулю. При включении в качестве переменного резистора сопротивление между выводами W и B (вывод A никуда не подключен) находится по формуле:

R

WB

=R

AB

(D/2 N ) .

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.6 Выбор схемы включения микроконтроллера и расчет навесных элементов

Согласно функциональной схеме к микроконтроллеру PIC16C74 подключены следующие компоненты: • цифровые потенциометры; • аналоговые коммутаторы; • генератор белого шума; • жидкокристаллический дисплей; • клавиатура. Произведем оценку количества портов, необходимых для подключения всех компонентов. Цифровые потенциометры Для осуществления одновременного управления наборами сопротивлений цифровых потенциометров используются две шины I2C, т.е. для подключения этих компонентов к микроконтроллеру необходимо 4 вывода. Используем для этих целей выводы 28,26 порта В для шины данных, и 25,27 того же порта для шины синхронизации. Аналоговые коммутаторы Управление коммутаторами АК2,АК3 (микросхемы DA5, DA10) осуществляется при помощи четырехпроводной шины, причем синхронно для обеих коммутаторов, значит необходимо задействовать 4 вывода микроконтроллера. Для этой цели используем выводы 15…18 параллельного порта ввода/вывода С. Генератор белого шума Запуск генератора осуществляется подачей напряжения уровня логической «единицы» на входы элементов «исключающее ИЛИ» (микросхемы DD3.3, DA3.4) мультивибратора. Для запуска генератора используем вывод 2 параллельного порта ввода/вывода А. Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Жидкокристаллический дисплей Для управления жидкокристаллическим дисплеем необходимо 11 выводов микроконтроллера, используем свободные выводы портов A, D и С: 7…10, 19…24, 30. Клавиатура Клавиатура подключается к микроконтроллеру при помощи десяти проводов, используем свободные выводы портов В и С: 28, 33…40. Кроме управления различными компонентами, в микроконтроллере осуществляется аналого-цифровое преобразование звуковых сигналов в цифровые коды, при помощи встроенного многоканального АЦП. Затем происходит сравнение цифровых кодов с целью определения управляющего кода для цифровых потенциометров. Для этих целей используются аналого-цифровые входы микроконтроллера (выводы 2…5). К выводам 2,3 через разделительные емкости подключаем выходы аналоговых коммутаторов. Частота встроенного тактового генератора микроконтроллера задается с помощью кварцевого резонатора, подключаемого к выводам 13,14. Для первоначальной инициализации микроконтроллера необходимо, чтобы в момент включения питания на вход “RESET” поступил импульс малой длительности уровня логической «единицы», для этой цели к выводу 1 необходимо подключить схему начальной установки. Выбор тактовой частоты микроконтроллера

Произведем расчет по выбору тактовой частоты микроконтроллера. Частота дискретизации звукового сигнала равна fД=44.1 кГц. Но помимо дискретизации процессор производит еще и выбор максимального значения отсчета (см. блок-схему алгоритма в главе 2). Значит, тактовая частота должна быть не менее чем fТ ≥ fД · k,

(3.11)

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

где k - количество элементарных операций, при помощи которых реализуется алгоритм попарного сравнения и выбора максимального отсчета. Анализируя алгоритм, определяем что k = 4. По формуле (3.11) определяем минимальную тактовую частоту микроконтроллера: fТ = fД · k = 44100 · 4 = 176400 Гц. Согласно [10] минимально допустимая тактовая частота микроконтроллера PIC16C74 fTmin = 1 МГц, следовательно, задаемся тактовой частотой микроконтроллера fT = 1 МГц. Исходя из полученной тактовой частоты fT выбираем кварцевый резонатор MQ-UM-1 со следующими параметрами: • рабочая частота: 1 МГц; • рабочий диапазон температур: -20…+70 0 С; • емкость нагрузки: СН = 8-30 пФ; • максимальная мощность: 1 мВт. Расчет схемы начальной установки

Схема начальной установки микроконтроллера при включении питания приведена на рисунке 3.9. +Епит VD1

R1 R

D C2 C

DD1

1

К в ыв оду 1

Рисунок 3.9 Схема начальной установки

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Опишем работу данной схемы. При отсутствии напряжения питания на входе схемы напряжение на емкости С2 равно нулю, на выходе инвертора получаем напряжение уровня логической «единицы», которое поступает на вход сброса (RESET). При подаче напряжения емкость начинает постепенно заряжаться, и при достижении порогового уровня на вход сброса поступает напряжение уровня логического «нуля». Диод в схеме предназначен для быстрого разряда емкости при резком снижении питающего напряжения. Время задержки запуска микроконтроллера определяется исходя из частоты пульсаций питающего напряжения и определяется из следующего выражения: 3⋅τ = t,

(3.12)

где t = Tпульс/4. Принимая частоту пульсаций равной удвоенной частоте сети fпульс = 100 Гц, определяем: t = 0.01/4 = 0.0025 с, соответственно требуемое время задержки равно: τ = t/3 = 0.0025/3 = 8 мс. Исходя из выражения для постоянной RC-цепи τ = RC, определяем величины емкости и сопротивления: С2=0.047 мкФ, R1=16 кОм.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.7 Расчет сумматора

Для суммирования звуковых сигналов, которые поступают с выходов цифровых потенциометров используем инвертирующий сумматор на операционном усилителе. Схема такого сумматора приведена на рисунке 3.10. Зная требуемое напряжение на выходе сумматора UВЫХ, и максимальные значения напряжений на его входах UВХ1…UВХ10 можно определить величины сопротивлений резисторов R2…R11 и R1.

R1 R DA1

Вход1

R2

11

Вход2

R3

12

R4

R12 R

R

Вход3

R3

Вход4

R5

R

Вход5

R7

R

Вход7

R8

R

Вход8

R9

R

Вход9

R10

R

Вход10

Выход

R6

R

Вход6

10

R11

R R

Рисунок 3.10 Сумматор на инвертирующем операционном усилителе

Расчетные соотношения для расчетов резисторов R2…R11 и R1 имеют следующий вид:

U

U

ВЫХ

ВЫХ

=U

=

R R R ⋅ 1 +U ⋅ 1 +K+U ⋅ 1 ВХ 1 R ВХ 2 R ВХ 10 R 2 3 11

(3.13)

R = R =K= R 2 3 11

(3.14)

R 1 (U +U +K+U ) ВХ 1 ВХ 2 ВХ 10 R Σ

(3.15)

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Согласно ТЗ, UВЫХ = 0.5 В, а UВХ1…UВХ10 = 0.5 В, значит исходя из формул (3.13-3.15): R1 = RΣ = 10 ⋅ R2 = 10 ⋅ R3 = … = 10 ⋅ R11

(3.16)

По формуле (3.16) определяем величины сопротивлений R11…R110 и R2: R1 = 100 кОм, R2…R11 = 10 кОм.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

4 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 4.1 Выбор и обоснование конструкции автоматического эквалайзера Эквалайзер выполняем функционально законченным устройством в корпусе с размерами 170х170х65 мм. В основу конструкции эквалайзера закладываем принципы конструирования бытовой аппаратуры по ГОСТ 24863-87. Эквалайзер выполнен в виде набора следующих функционально завершенных блоков: • измерительный блок с микрофоном; • блок графического эквалайзера с управляющим микроконтроллером; • генератор белого шума; • блок индикации и управления; • блок питания. Блочная конструкция эквалайзера позволяет обеспечить легкосъемность и взаимозаменяемость при ремонте, а также простоту конструкции электрических соединений. Основным элементом конструкции является корпус-шасси, изготовленный из полистирола. Передняя панель изготовлена из алюминиевого проката и имеет декоративные пластмассовые накладки. Кнопки управления режимами работы и кнопка включения электропитания имеют самостоятельное крепление на передней панели. Эквалайзер закрывается П-образным кожухом, изготовленным из окрашенного листового металла. Для обеспечения теплового режима внутри эквалайзера кожух имеет жалюзи.

Лист

ЭТДФ.464328.029. ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

На днище эквалайзера имеется съемный металлический поддон. При снятии поддона обеспечивается доступ к платам измерительного блока и графического эквалайзера. На заднюю стенку эквалайзера выходят: держатель вставки плавкой и разъем для подключения кабеля электропитания, а также розетки для подключения микрофона, источника сигнала (вход), выхода эквалайзера. К корпусу-шасси крепятся все блоки и узлы эквалайзера, за исключением блока индикации и управления, которые закреплены на передней панели эквалайзера. В креплении узлов и блоков широко применяются самонарезающие винты.

4.2 Компоновка радиоэлементов В генераторе белого шума используются интегральные микросхемы в корпусах типа DIP14, DIP8. Габаритные размеры корпусов ИМС определяются как - Д×Ш×В, где Д – длина, Ш – ширина, В – высота. Размеры корпусов применяемых ИМС: • К176ИР10 – 17.5×7.5×5 мм; • К176ЛП2 – 17.5×7.5×5 мм; • AD8534 – 12.5×7.5×5 мм. Корпуса устанавливаются на монтажную плату через электроизоляционную прокладку толщиной 1 мм в металлизированные отверстия без дополнительного крепления.

Лист

ЭТДФ.464328.029. ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

4.3 Проектирование печатной платы Размещение корпусов ИМС произведём с учётом их приоритетности по функциональному назначению: в центре – сдвиговый регистр, ближе к краю платы операционный усилитель. Определим ориентировочную площадь печатной платы:

n S = ∑ S ⋅ 1,4 = (21⋅16+30⋅16+21⋅1+120⋅3+86⋅1)E1.4 = 4121 мм2 = 41 см2. i=1 i Учитывая габаритные размеры корпуса эквалайзера, зададимся ориентировочными размерами печатной платы 10х4 см.

4.1 Условия эксплуатации

Устройство должно сохранять работоспособность в условиях воздействия на них температур от 10 С0 до 40 С0, влажности 60±15 % при температуре 20 С0, давлении от 86 до 106 кПа [15].

Лист

ЭТДФ.464328.029. ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Целью данного раздела является расчет полной себестоимости, определение коэффициента технического уровня качества и вычисление предельной свободно-отпускной цены и верхней свободно-отпускной цены проектируемого эквалайзера с автоматической коррекцией АЧХ. На основании нижеприведенных инженерно-экономических расчетов, можно судить о конкурентоспособности изделия относительно уже существующих решений, перспективности и целесообразности его производства.

5.1 Анализ рынка Эквалайзеры в последнее время получили широкое применение. Они предоставляют особую ценность в первую очередь для звукозаписывающих студий и любителей высококачественного звука HI – FI, поэтому эквалайзеры устанавливаются на стационарных аудиокомплексах, миди- и мини- системах, а также упрощенные модели на переносных магнитолах и автомобильных музыкальных центрах. Эквалайзер с автоматической коррекцией АЧХ предусматривает предоставление слушателям целого ряда услуг. Вопервых, возможность оперативной настройки тембра в любом помещении и на любых акустических системах. Во-вторых, передачу АЧХ какого-то конкретного помещения при помощи фиксированных настроек и информации о характере звучания. Из вышеизложенного очевидно, что основными потребителями разрабатываемого изделия будут любители высококачественного звука HI – FI. Однако, учитывая специфику распространения звуковых волн в различных помещениях можно расширить круг потребителей, например использование

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

данного эквалайзера в автомобильных системах, в системах звукоусиления для небольших аудиторий (50 – 100 чел.) и. т. д. Поэтому неудивительно, что аудиокомплексы с эквалайзерами выпускаются многими ведущими фирмами – производителями аудио аппаратуры: DENON, JVC, PIONEER, PHILIPS, KENWOOD, SONY, PANASONIC и др. Однако устройств с автоматической коррекцией АЧХ для бытовых целей практически не выпускается Такие устройства требуют новой специализированной элементной базы, поэтому цены на обычные эквалайзеры и устройства с автоматической коррекцией АЧХ могут разительно отличаться, хотя с ростом объема выпускаемых устройств наблюдается постепенное снижение цен. Стоимость зарубежных аналогов разрабатываемого устройства колеблется примерно от 500 – 700 грн. (относительно дешевые эквалайзеры средней стоимости) до 1500 – 3000 грн. (дорогие высококачественные эквалайзеры с возможностью измерения АЧХ помещения и электронным управлением). При разработке нашего устройства мы будем ориентироваться на эквалайзеры среднего класса и средней стоимости, поскольку они широко распространены и имеют больший объем продаж. Краткая характеристика разрабатываемого устройства и зарубежных аналогов Данный эквалайзер позволяет проводить ручную и автоматическую корректировку АЧХ звуковых программ. Регулировка АЧХ производится по десяти частотным полосам при помощи электронного управления. Спектр частот звуковой программы отображается на жидкокристаллическом дисплее с подсветкой в реальном масштаба времени.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Автоматическая корректировка АЧХ производится при помощи калибровочного микрофона и генератора белого шума. В эквалайзере используется новейшая элементная база. Разрабатываемое устройство может устанавливаться не только стационарно, но и использоваться как портативное (например, в составе автомагнитолы) ввиду своей компактности, легкости, простоты в управлении и автономности питания. Наиболее характерные параметры разрабатываемого эквалайзера и его аналогов (в составе аудиокомплексов) приведены в сравнительной таблице (см. табл. 5.1.). Таблица 5.1. Основные параметры разрабатываемого устройства и его аналогов Эквалайзеры, кор-

Цена,

ректоры АЧХ

грн.

Преимущества:

1. SONY CMT-ED1A, темброблок

Технические параметры

300

• фиксированные настройки АЧХ (3); • тонкомпенсация; • настройка ручная; • достаточно хороший звук, простота настройки, изысканный дизайн. Недостатки: • нет графического эквалайзера; • мало фиксированных настроек (3); • нет анализатора спектра; • нет автоматической настройки.

2. Sherwood P757, эк- 800

Преимущества:

валайзер

• 5-ти полосный графический эквалайзер; • анализатор спектра;

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Эквалайзеры, кор-

Цена,

ректоры АЧХ

грн.

Технические параметры • настройка ручная; • простота настройки. Недостатки: • нет фиксированных настроек; • нет автоматической настройки.

3. Technics SC-CA10, 900

Преимущества:

цифровой

• разнообразные фиксированные настройки

сигнальный

процессор

(30); • процессор эффектов; • тембры НЧ, ВЧ; • настройка ручная; • наглядное управление; • изысканный дизайн. Недостатки: • нет анализатора спектра; • нет графического эквалайзера; • нет полной автоматической настройки.

4. SONY LBT-D905

1800

Преимущества: • параметрический эквалайзер; • измерение АЧХ помещения; • анализатор спектра; • отличное звучание, классический дизайн. Недостатки: • сложность настройки и управления; • нет полной автоматической настройки;

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Эквалайзеры, кор-

Цена,

ректоры АЧХ

грн.

Технические параметры • большие габариты и масса.

Тип производства устройства относится к крупносерийному, поскольку эквалайзеры такого вида широко применяются.

5.2 Определение уровня качества разрабатываемого изделия. Обоснование системы параметров

Для характеристики разрабатываемого радиоприемника применены следующие параметры: X1 – наличие автоматической коррекции АЧХ; X2 – количество частотных полос регулировки; X3 – анализатор спектра; X4 – фиксированные настройки; X5 – масса; X6 – габариты. Определяем лучшие, средние и худшие значения параметров. Параметр X1 является особо важным качественным показателем, так как в помещениях на качество звучания влияют акустические параметры помещения и акустических систем (АС). Поэтому АЧХ АС нуждаются в коррекции. Для того чтобы упростить этот неоднократно повторяющийся процесс возникает необходимость в автоматической коррекции АЧХ, которая осуществляет коррекцию в течении короткого промежутка времени. Параметр X2 является количественным показателем. Частоты звуковых колебаний находятся в полосе частот от 20 до 20000 Гц, т.е. занимают десять октав. Регулировка АЧХ осуществляется по 10-ти частотным полосам.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Параметр X3 является качественным показателем, так как анализатор спектра показывает уровни, что удобно для наглядного восприятия. Параметр Х4 - фиксированные настройки эквалайзера, которые позволяют человеку при прослушивании не задаваться вопросом: слушать или настраиваться. Каждый почитатель любого жанра музыки сможет услышать вполне достойное звучание, присущее тем или иным ритмам. Параметры X5 и X6 являются количественными показателями, по которому можно судить о внешнем виде разрабатываемой системы с расчетом на запросы потребителя, учитывая его вкусы и удобство при эксплуатации. Результаты сводим в таблицу 5.2 Таблица 5.2. Основные значения параметров Обозначение

Параметр

ПроектируеSONY CMT

X1







+

+

X2



5

2

10

10

X3



+



+

+

X4

3



15

10

20

1,2

4

2,4

6

1,5

170∗150∗50

190∗150∗120

170∗150∗50

420*210*85

170∗150∗50

903

1200

850

1800

Sherwood

Technics

SONY CBT

мое устройство

1. Наличие автоматической коррекции АЧХ 2. Количество полос эквалайзера 3. Анализатор спектра 4. Фиксированные настройки эквалайзера 5. Масса и габариты, не более, кг, мм.

Х5

Цена, грн.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Важность отдельного параметра в общей совокупности рассматриваемых параметров определяют методом попарного сравнения, в соответствии с которым приоритет параметра устанавливают эксперты. В настоящем дипломном проекте в роли экспертов выступал разработчик комплекса. В качестве коэффициентов предпочтительности применим следующие значения: 1,5 при xi>xj; aij = 1,0 при xi=xj;

(5.1)

0,5 при xi<xj, где xi, xj – значения сравниваемых между собой i-х и j-х параметров. Результаты сравнения параметров приведены в табл.5.3. Таблица 5.3. Экспертное сравнение технических параметров Пара-

Эксперты

метры

Итоговая

Числовое значение

оценка

коэффициентов

1

2

3

4

5

6

7

X1 и X2

>

>

>

=

>

>

=

>

1.5

X1 и X3

>

>

>

>

=

>

>

>

1.5

X1 и X4

=

=

=

=

>

=

=

=

1.0

X2 и X3

>

=

<

=

=

<

=

=

1.0

X2 и X4

<

<

=

<

<

=

<

<

0.5

X3 и X4

=

>

=

>

=

=

=

=

1.0

По данным таблицы производим расчет приоритета параметров. Результаты расчета сводим в табл. 5.4. Таблица 5.4 Расчет приоритета технических параметров

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

X1 X2 X3 X4

bi

ϕI

b i’

ϕI’

bi’’

ϕI’’

X1 1.0 1.5 1.5 1.0

5

0.294

20.75

0.314

79.375

0.313

X2 0.5 1.0 1.0 0.5

3

0.176

12.25

0.186

46.375

0.183

X3 0.5 1.0 1.0 1.0

4.5

0.264

14.5

0.219

55.625

0.219

X4 1.0 1.5 1.0 1.0

4.5

0.264

18.5

0.28

72.125

0.285

17

0.999

66

0.999

253.5

0.999 Таблица 5.5

Экспертное сравнение массогабаритных показателей Эксперты

Параметры Масса и габариты

Итоговая

Числовой

1

2

3

4

5

6

7

оценка

коэффициент

=

<

<

<

<

<

<

<

0.5

Таблица 5.6 Расчет приоритета массогабаритных показателей М 1 1.5

М Г

b i´ 2.75 4.75 7.5

Φi 0.375 0.625 1

bi 1.5 2.5 4

Г 0.5 1

Φi´ 0.366 0.633 0.999

b i" 5.125 8.875 14

Φi" 0.366 0.634 0.999

Таблица 5.7 Экспертное сравнение технических, массогабаритных и эстетических показателей Параметры

Т-М Т-Э М-Э

Эксперты

1 > > =

2 > > <

3 > > <

4 > > <

5 > > =

6 > > <

7 > > <

Итоговая оценка

Числовой коэффициент

> > <

1.5 1.5 0.5

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 5.8 Расчет технических, массогабаритных и эстетических показателей Φi b i´ Φi´ b i" Φi" bi Т М Э 1 1.5 1.5 4 0.444 1.276 0.459 1.269 0.46 Т 0.5 1 0.5 2 0.222 0.611 0.220 0.609 0.22 М 0.5 1.5 1 3 0.333 0.888 0.32 0.879 0.318 Э 9 0.999 2.775 0.999 2.758 0.999 Расчеты выполнены по следующим формулам: bi=∑ aij;

(5.2)

ϕI= bi/∑ bi ,

(5.3)

где n – количество параметров; bi – весовой коэффициент i-го параметра по результатам оценок всех экспертов; ϕi – коэффициент важности i-го параметра. Расчет приоритета параметра производился в три шага для обеспечения отличий текущих значений от предыдущих менее 2%. Причем, относительная оценка на втором и третьем шагах рассчитывалась по следующим формулам: ϕI’=bi’/∑ bi’;

(5.4)

bi’= a11b1+a12b2+...+a1ibi

(5.5)

Относительная оценка, получаемая на третьем шаге (ϕi’’), принимается за коэффициент весомости i-го показателя качества (Kbi). Определяем уровень качества комплекса по формуле: β=∑ Kbi * ϕрI/ϕбI,

(5.6)

где ϕрI, ϕбI - числовые значения показателей соответственно разрабатываемого и базового изделия (взяты из табл. 5.2.). Тогда уровень качества комплекса будет: β=0.313·(1/1)+0.183·(10/)+0.219·(1/1)+0.285·(20/10)=1.28 Уровень качества комплекса: βт=1.28 Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Коэффициент массогабаритных показателей: βм=0.366·(1.5/6)+0.634·(170·150·50/420·210·85)=0.19 Коэффициент эстетических показателей: βэ=1 Интегральный коэффициент качества Ки определим по формуле: Ки=φiт"·βт+ φiм"·βм+ φiэ"·βэ=0.46·1.28+0.22·0.19+0.318·1=1.39

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5.4. Расчет себестоимости эквалайзера с автоматической коррекцией АЧХ Полная себестоимость изделия включает в себя следующие калькуляционные статьи: • материалы основные; • покупные изделия и полуфабрикаты; • основная зарплата производственных рабочих; • дополнительная зарплата производственных рабочих; • начисления на зарплату; • общепроизводственные расходы; • общехозяйственные расходы; • прочие расходы; • внепроизводственные расходы. Подробную калькуляцию мы произведем для эквалайзера с автоматической регулировкой АЧХ. Наиболее значимым и дорогостоящим блоком разрабатываемого радиоприемника является модуль жидкокристаллической индикации BG1286, который содержит в себе контроллер KS107, а также микроконтроллер PIC16C74. Определение затрат по статье “Основные материалы”. Составляем смету затрат на основные материалы. Данные занесены в табл. 5.9.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 5.9 Смета затрат на основные материалы Норма Стандарт

Материал

или марка

Единица

расхода

Цена

Сумма,

на изде-

единицы,

грн.

лие

грн.

Текстолит

РСК-А

кг

0,15

5

0,75

Алюминий

А999

кг

0.80

10

8

ПОФ-40

кг

0,10

4,8

0,48

Припой Итого:

9,23

Неучтенные

мате-

0,74

риалы (8 %) Транспортнозаготовительные

0,46

расходы (5%) 10.43

Всего:

Определение затрат по статье “Покупные изделия и полуфабрикаты”. Составляем смету затрат на покупные изделия и полуфабрикаты. Данные занесены в табл. 5.10.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 5.10 Смета затрат на покупные изделия и полуфабрикаты Кол-

Наименование

Стандарт или марка

изделия

во, шт

Цена изде-

Сумма,

лия,

грн

грн.

Микросхемы

SSM2017

2

6

12

AD8534

6

5

30

AD7501

2

4

8

AD7506

4

15

60

AD5206

4

-

-

PIC16C74

2

40

80

Диоды

КД521

3

2

6

Резисторы

С2-29

56

0,20

11.20

Конденсаторы

К50-35 1.8 пФ

3

0.05

0.15

2.2 пФ

2

0.05

0.10

3.3 пФ

4

0.05

0.20

3.9 пФ

2

0.05

0.10

10 пФ

4

0.05

0.20

18 пФ

2

0.05

0.10

27 пФ

2

0.05

0.10

1 нФ

1

0.06

0.06

8.2 нФ

2

0.06

0.12

22 нФ

2

0.06

0.12

47 нФ

2

0.06

0.12

1

2,70

2.70

1

3.0

6.0

К-10-17А-Н90

Плата Кварцевые генераторы

MQ-UM-1

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Кол-

Наименование

Стандарт или марка

изделия

во, шт

Цена изде-

Сумма,

лия,

грн

грн.

ЖКД

BG1286

1

200

200

Панель управления

1

4.5

4.5

Корпус

1

2.5

2.5 477.95

Итого: Транспортнозаготовительные расхо-

23.90

ды (5 %) 501.85

Всего: Основная зарплата производственных рабочих

Основная заработная плата производственных рабочих включает тарифную зарплату и премиальные надбавки. Тарифную зарплату определяют по каждой операции (виду работ) как произведение норм времени (нормативной трудоемкости) и часовых тарифных ставок рабочих соответствующих разрядов. Расчеты по определению зарплаты сводят в табл. 5.11.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 5.11 Основная заработная плата производственных рабочих Операция

Тарифный

(работа)

разряд

Монтаж

V

Сборка Настройка

Часовая

Норма

Сумма

времени, ч

зарплаты, грн

3,45

6,3

21,86

III

2,21

5,4

11,93

IV

2,57

5,9

15,16

тарифная ставка, грн

Итого:

48,95

Дополнительная зарплата производственных рабочих Дополнительную зарплату рабочих определяют в процентах от основной зарплаты (10 %): Зд = Зо⋅0.1,

(5.7)

где Зо=48,95 грн. - основная зарплата. Зд = 4,90 грн. Начисления на зарплату определяют от суммы основной и дополнительной зарплаты: Зо+Зд = 53,85 грн.

(5.8)

Отчисления по зарплате: - отчисления в социальные фонды Фс составляют - 37,5 %: Фс=20,19 грн. Общепроизводственные расходы. Возмещение износа инструмента, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования при расчетах себестоимости проектируемых изделий включаются в общепроизводственные расходы (Роп). Общепроизводственные расходы определяют в процентах от основной зарплаты (150%): Роп=73,43 грн.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Тогда общепроизводственная себестоимость (Соп) составляет: Соп=10.43+501.85+53.85+20.19+73.43 = 659.75 грн. Общехозяйственные расходы. Общехозяйственные расходы (Рох) определяют в процентах от основной зарплаты (150 %): Рох=73,43 грн. Прочие расходы. Прочие расходы (Рп) определяют в процентах от всех предыдущих статей расхода (2 %): Рп=14.66 грн. Тогда общехозяйственная себестоимость (Сох) составляет: Сох=CОХ +Рох +Рп = 747,84 грн. Внепроизводственные расходы. Внепроизводственные расходы (Рв) определяют в процентах от общехозяйственной себестоимости (2 %): Рв=14,96 грн. Полная себестоимость (Сп) составляет: Сп=Сох +Рв= 762,80 грн. Полученная сумма по всем указанным статьям калькуляции представляет собой полную себестоимость, отражающую все затраты предприятия, связанные с изготовлением и реализацией продукции. Результаты выполненных расчетов приведены в табл.5.12.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 5.12 Калькуляция себестоимости изделия Удельный вес,

N

Статьи расходов

Сумма, грн.

1

Материалы основные

10.43

1,36

501.85

65,7

48.95

6,42 0,64

2 3

Покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты Основная зарплата производственных рабочих

%

4

Дополнительная зарплата (10 %)

4,90

5

Начисления в социальные фонды (37,5 %)

20,19

6

Общепроизводственные расходы (150%)

73,43

9,63

мость

659.75

86,5

8

Общехозяйственные расходы (150 %)

73,43

9,63

9

Прочие расходы (2 %)

14.66

1,92

10 Итого общехозяйственная себестоимость

747.84

98,04

11

Внепроизводственные расходы

14,96

1.96

12

Полная себестоимость

762,80

100,00

7

2,65

Итого общепроизводственная себестои-

Оптовая цена изделия: Цопт = Сп + П,

(5.9)

где П - прибыль, составляющая 20% от полной себестоимости изделия. Тогда оптовая цена изделия будет: Цопт = 915,36 грн. Так как данное устройство разрабатывается с целью реализации на рынок потребления и будет эксплуатироваться вне завода-изготовителя, то необходимо определить свободную отпускную цену. Свободная отпускная цена определяется по формуле: Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Цсв.отп = Цопт + НДС,

(5.10)

где НДС - налог на добавленную стоимость, составляющий 20% от оптовой цены. Тогда свободная отпускная цена изделия будет: Цсв.отп = 1098 грн. Верхний предел цены изделия составляет Цв = Цб⋅0,9⋅β,

(5.11)

где Цб = 1375 грн. - цена базового изделия; β = 1.39 - коэффициент технического уровня качества. Тогда верхний предел цены разрабатываемого изделия будет: Цв = 1720 грн. Возможная договорная цена лежит в пределах от 1098 грн. до 1720 грн.

5.4 Выводы Мы определили технический уровень качества разрабатываемого комплекса: β=1.39. Определили полную себестоимость изделия, предельную свободноотпускную цену и верхний предел свободно-отпускной цены. По сравнению с аналогами разрабатываемый эквалайзер обладает наиболее выгодными параметрами и сочетает в себе преимущества дорогих эквалайзеров и небольшую цену. Результаты расчетов сведены в таблицу 5.13 Таблица 5.13 Результаты расчетов Наименование параметра

Значение параметра

Уровень технического качества устройства, β

1.39

Полная себестоимость устройства, грн

762.8

Нижняя граница цены устройства, грн

1098

Верхняя граница цены устройства, грн

1720

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Предложенная договорная цена устройства, грн

1120

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

6 ОХРАНА ТРУДА 6.1 Введение Разрабатываемый автоматический корректор АЧХ (эквалайзер) предназначен для корректного и быстрого регулирования АЧХ звуковых программ в составе аудиокомплекса с учетом акустических характеристик помещения для прослушивания. Эквалайзер состоит из следующих основных блоков: 1. Собственно графический эквалайзер, управляемый электронным способом при помощи цифрового кода.

2. Измерительный блок, который предназначен для измерения АЧХ помещения.

3. Контроллер, предназначенный для управления всеми элементами устройства.

4. Панель управления (клавиатура), предназначенная для управления эквалайзером и модуль индикации (жидкокристаллический дисплей) для отображения спектра сигнала. При разработке и эксплуатации данного эквалайзера могут иметь место потенциально опасные и вредные производственные факторы. В частности: опасность поражения электротоком; неудовлетворительные параметры микроклимата в рабочей зоне разработчика и пользователя; опасность воздействия статического электричества и электромагнитного излучений; пожароопасность и др. Ниже изложены результаты анализа указанных факторов и мероприятия по их обеспечению.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

6.2 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при разработке и эксплуатации эквалайзера 6.2.1 Меры электробезопасности при эксплуатации эквалайзера Для питания эквалайзера используется напряжение постоянного тока 15В. Основными причинами поражения электротоком при эксплуатации эквалайзера являются: • прикосновение к нормально токоведущим частям, находящимся под напряжением при техническом обслуживании и ремонте; • прикосновение к нормально нетоковедущим металлическим частям после перехода на них напряжения с токоведущих частей в результате повреждения рабочей изоляции и по другим причинам; • косвенные причины электротравм (неисправное состояние оборудования или источника питания, неисправное состояние защитных устройств, ошибочное мнение об отсутствии напряжения при его наличии и др.). Предельно допустимый ток, проходящий через человека при случайном прикосновении к токоведущим частям при нормальном режиме работы эквалайзера не должен превышать 0,3 мА, а напряжение прикосновения  не более 2 В (ГОСТ 12.1.038-82). Фактические значения тока, проходящего через человека при случайном прикосновении к токоведущим частям, при нормальном режиме работы эквалайзера и напряжения на нем равны соответственно 0,35А и 15В. Так как фактические значения тока, протекающего через человека, и напряжения на нем превышают допустимые значения, то в устройстве приняты следующие меры безопасности: • доступные для прикосновения части изделия имеют двойную изоляцию по отношению к источнику питания, Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

• рабочая изоляция эквалайзера  электрическая изоляция токоведущих ее частей имеет сопротивление не менее 70 МОм (ГОСТ 12.2.025-76). Контроль изоляции должен производиться не реже одного раза в год, а также после ремонта или обнаружения неисправностей, • эквалайзер имеет рабочую часть, изолированную от доступных для прикосновения металлических частей, • номинальное напряжение питания не должно превышать 15 В постоянного тока. Электрическая прочность изделия не менее 30 В и соответствует ГОСТ 25995. При монтаже, эксплуатации и техническом обслуживании допускаются особы, изучившие техническое описание и инструкцию по эксплуатации. При ремонте, кроме вышеперечисленного, допускается персонал, имеющий категорию на право работы с электроустановками с напряжением до 1000 В, достигший 18 лет и прошедший инструктаж по технике безопасности. Все подготовительные работы, техническое обслуживание и ремонт следует производить при отключенном источнике питания. Поскольку разрабатываемый эквалайзер является устройством портативным либо устанавливаемым в автомобиле, то расчет защитного заземления не проводится.

6.2.3 Санитарно-гигиенические условия труда разработчика эквалайзера Анализ условий труда выполнен для конструкторского бюро (КБ) завода «Маяк». Условия труда определяются с одной стороны трудовым процессом, а с другой - санитарно-гигиенической обстановкой, в которой выполняется этот трудовой процесс.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

На условия труда значительно влияет его интенсивность, т.е. мера затрат человеком физической и умственной работы в единицу времени. Категория работ при разработке эквалайзера легкая 1а (ГОСТ 12.1.00588), так как расход энергии при инженерной работе составляет не более 120 Ккал/ч. Фактическая площадь на одного сотрудника КБ составляет 8 м2 , объем 24 м3. Проходы между рабочими местами – не менее 1м, что соответствует требованиям СН 245-71. В конструкторском бюро выполняются работы по разработке эквалайзера для автоматической коррекции АЧХ. При этом используется следующее оборудование и приборы: осциллограф, цифровой вольтметр, генератор НЧ. В помещении тепловыделения незначительны и не превышают 20кКал/ч (СН 245-71). Основными источниками тепла являются: батареи центрального водяного отопления, солнечная радиация, эксплуатируемые электроприборы и оборудование, обслуживающий персонал. В КБ используется естественная вентиляция. Источники запыленности и загазованности воздуха рабочей зоны в конструкторском бюро отсутствуют. КБ по электробезопасности, согласно ПУЭ-87, относится к категории помещений с повышенной опасностью. Согласно ОНТП 24-86 рассматриваемое КБ можно отнести по пожарной безопасности к категории В и классу П IIа, так как в нем содержатся твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы, способные при взаимодействии кислородом воздуха только гореть, и опасные состояния не имеют места при нормальной эксплуатации оборудования, а возможны только в результате аварии. Другие факторы, влияющие на условия труда разработчика, указаны ниже. Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

6.2.4 Нормирование и контроль параметров микроклимата в рабочей зоне разработчика эквалайзера Основными параметрами микроклимата рабочей зоны разработчика эквалайзера являются: • температура t, °С; • относительная влажность воздуха %; • скорость движения воздуха V, м/с; Параметры микроклимата нормируются согласно ГОСТ 12.1.005-88 в зависимости от периода года и категории выполняемых работ и приведены в табл.6.1. и табл.6.2. Таблица 6.1 Оптимальные нормы температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха в рабочей зоне разработчика комплекса (ГОСТ 12.1.005 - 88). Период года

холодный

теплый

Категория работ

легкие 1а

легкие 1а

Температура, °С

21...23

22...24

Относительная влажность воздуха, %

40...60

40...60

0,1

0,2

Скорость движения воздуха, м/с

Таблица 6.2 Допустимые нормы температуры, относительная влажность и скорость движения воздуха в рабочей зоне (ГОСТ 12.1.005-88). Период года

холодный

теплый

Категория работ

легкие 1а

легкие 1а

Температура, °С

20...24

21...28

75

60

Относительная влажность воздуха, %

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Скорость движения воздуха, м/с

0,1...0,3

0,2 Таблица 6.3

Фактические значения температуры, относительная влажность и скорость движения воздуха в помещении лаборатории. Период года

холодный

теплый

Категория работ

легкие 1а

легкие 1а

Температура, °С

20...23

22...27

60

55

0,15

0,2

Относительная влажность воздуха, % Скорость движения воздуха, м/с

Из табл.6.3 видно, что параметры микроклимата не превышают допустимые нормы теплого и холодного периодов. Относительная влажность воздуха в лаборатории контролируется психрометром Августа. Скорость движения воздуха контролируется анемометром чашечным.

6.2.5 Требования к уровню концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны Источники выделения вредных веществ в помещении КБ отсутствуют. Также поблизости нет предприятий, выбрасывающих в воздух вредные газы, поэтому загазованность воздуха в помещении не рассматривается. Источниками запыленности воздуха в помещении являются бумага и одежда людей. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и СН 245-71 предельно допустимая концентрация пыли в данном помещении может составлять до 6 мг/м3. В рассматриваемом помещении запыленность воздуха не превышает допустимые значения.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

6.2.6 Требования к уровням шума, вибрации, ультразвука, инфразвука. Производственных излучений В помещении КБ имеются следующие источники шума: • вентиляторы (2 шт.).

• внешний (уличный) шум. В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 допустимый уровень шума не должен превышать 50 дБА. Шум, создаваемый вентиляторами, и уличный шум можно определить как постоянный. Уровень звукового давления, создаваемого этими источниками шума настолько мал, что совпадает с фоновым и им можно пренебречь. Источники вибрации, ультразвука, инфразвука в рассматриваемом помещении отсутствуют. В помещении КБ используется устройство визуального отображения (осциллограф). Это устройство генерирует несколько типов излучения, в том числе рентгеновское, радиочастотное, видимое. Однако уровни этих излучений достаточно низки и не превышают допустимых норм.

6.2.7 Требования к освещению рабочего места разработчика комплекса Освещенность рабочего места разработчика комплекса является одним из важнейших факторов, определяющих безопасность труда. Недостаточность освещения рабочего места ухудшает качество работы, снижает производительность труда, приводит к повышенному зрительному напряжению, что может привести к головным болям и глазным заболеваниям. Необходимый уровень освещения на рабочем месте определяют в зависимости от характеристики зрительных работ.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Перепайка и демонтаж радиоэлементов являются работами высокой точности. Минимальный размер объекта различения вывод интегральной микросхемы шириной 0,3 мм. Контраст объекта различения с фоном (стеклотекстолита светло-серебристого цвета) малый, фон светлый. Поэтому в соответствии с СНиП II-4-79(91) разряд зрительной работы - III, подразряд 'в'. При выполнении работ III разряда используется совмещенное освещение в светлое время суток. При совмещенном освещении отдельно нормируется естественное и искусственное освещение. Согласно СНиП II-4-79(91) освещенность на рабочем месте настройщика устройства при указанном разряде зрительных работ и совмещенном освещении не менее 750 лк. Норма освещенности рабочего места при общем равномерном рабочем освещении - 300 лк. При естественном освещении нормируется коэффициент естественной освещенности КЕО. Нормируемое значение КЕО определяют для IV светового пояса (г. Киев) по формуле :

еIVH = eIIIH ⋅ c ⋅ m,

(6.1)

где:

eIVH - нормируемое значение КЕО для зданий, расположенных в четвертом поясе светового климата, %;

eIIIH - нормируемое значение КЕО для зданий, расположенных в третьем поясе светового климата, %; m - коэффициент светового климата; с - коэффициент солнечности климата, учитывающий дополнительный световой поток, проникающий через световые проемы в помещение за счет прямого и отраженного солнечного света в течение года.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

В нашем случае eIIIH=2 %; m =0,9; с=0,95; тогда нормируемое значение КЕО для зданий г. Киева, % :

eIVH = 2⋅0,95⋅0,9 = 1,71 В лаборатории предусмотрено одностороннее боковое естественное освещение и общее равномерное искусственное освещение. Площадь оконных проемов 18 м2 ,что составляет 32 % от площади пола. Фактическое значение КЕО составляет 1,8%, что удовлетворяет eIVH = 1,71. Для общего искусственного освещения КБ используется люминисцентные лампы ЛБ. Их светильники размещены параллельно на стене с окнами, что позволяет производить последовательное отключение (включение в зависимости от величины естественного освещения). В КБ пол — паркет светлокоричневого цвета, стены и потолок — белые. Для поддержания на рабочих местах рационального освещения, надежной и бесперебойной работы устройств освещения следует обеспечить своевременное и качественное их обслуживание, а также проведение профилактических ремонтов и осмотров. Поэтому необходимо не менее 1 раза в год производить контрольные замеры освещенности на рабочих местах и периодическую чистку светильников (не менее двух раз в год).

6.2.8. Обеспечение пожарной безопасности при эксплуатации эквалайзера Эквалайзер представляет собой сложную систему электрических цепей. При прохождении электрического тока по проводникам и радиотехническим элементам выделяется тепло. Если на каком-либо участке электронной схемы количество выделяемого тепла превысит допустимый предел, то происходит

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

перегрев. При соприкосновении перегретых деталей и элементов с горючими материалами комплекса может произойти возгорание. Надежность работы радиодеталей гарантируется в рабочих условиях эксплуатации температуры, влажности, силы тока и напряжения. Вследствие возможных отклонений электрических и климатических параметров элементы электронных схем являются наиболее вероятными источниками открытого огня и высоких температур. В электронных схемах и конструкциях блоков комплекса применяют изоляционные материалы (табл.6.4), которые являются горючими. Таблица 6.4 Изоляционные горючие материалы Изоляционный материал

Температура воспламенения,°С

гетинакс

380...420

пластмассы

300...350

полиэтилен

280...320

резина

220...260

текстолит

450...500

фторопласт

360...400

В процессе эксплуатации комплекса могут ухудшатся диэлектрические свойства изоляции, что приводит к увеличению вероятности пробоев. Причиной возгорания в комплексе является короткое замыкание, перегрузки провода, перегретые опорные поверхности, нарушение правил монтажа электронных схем. Для предотвращения причин возникновения пожаров в комплексе предусмотрены следующие мероприятия:

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

- блоки электронных схем комплекса устанавливаются во влагонепроницаемые и пыленепроницаемые корпуса, что уменьшает воздействие химически активных веществ и влаги на электроизоляцию и радиодетали.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

6.3 Выводы В результате проведенного анализа и расчетов выявлены и проанализированы вредные и опасные производственные факторы при разработке и эксплуатации эквалайзера с автоматической коррекцией АЧХ. Разработаны меры по охране труда при разработке и эксплуатации эквалайзера.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1 Наименование и область применения HI – FI аудиокомплекс с адаптивными регулировками тембра. Устройство предназначено для высококачественного воспроизведения музыкальных и речевых программ с возможностью автоматической и ручной коррекции АЧХ с учетом характеристик звукового поля в помещении.

2 Основания для разработки Работа проводится на основании задания на дипломное проектирование, в соответствии с приказом №3242С от 24.11.2000.

3 Цель и назначение разработки Целью проекта является разработка устройства осуществляющего автоматическую коррекцию амплитудно-частотной характеристики усилителя. Овладение методикой проектирования электронной аппаратуры и правилами оформления технической документации на проектируемое устройство.

4 Источники разработки Данными для разработки являются техническая информация о существующих устройствах [1], а также данные о разработках подобных систем зарубежных фирм [2].

Лист

ЭТДФ.464328.029. ТЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5 Технические требования к устройству 5.1 Состав аудиокомплекса и назначение основных узлов 5.1.1 Устройство должно обеспечивать высококачественное воспроизведение звуковых сигналов от различных источников и содержать: —

усилитель мощности, эквалайзер с автоматической коррекцией,

—

тюнер,

—

2-х кассетную деку,

—

проигрыватель компакт-дисков,

—

акустические системы.

5.1.2 Устройство должно позволять осуществлять прием монофонических и стереофонических сигналов в диапазоне УКВ1 и УКВ2, и монофонических сигналов в диапазоне СВ.

5.1.3 Устройство должно обеспечивать высококачественное усиление звуковых сигналов от любого источника звуковых программ с возможностью автоматической и ручной коррекции АЧХ.

5.1.4 Устройство должно обеспечивать высококачественную перезапись с компакт-диска, тюнера и аудиокассеты на аудиокассету с синхронным запуском носителей и интеллектуальным монтажом при перезаписи с компактдиска на аудиокассету.

5.1.5 Управление всеми режимами работы должно осуществляться с передней панели комплекса или с помощью ДУ.

5.2 Технические характеристики эквалайзера 5.2.1. Полоса воспроизводимых частот – 20…20000 Гц.

5.2.2. Номинальное напряжение выходного сигнала – 0.5 В.

5.2.3. Глубина регулировки тембра, не менее ± 20 дБ.

5.2.4. Общие гармонические искажения не более – 0.01 %.

Лист

ЭТДФ.464328.029. ТЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5.2.5. Взвешенное отношение сигнал / шум не менее – 90 дБ.

5.2.6. Напряжение питания – 127/220 В.

5.2.7. Потребляемая мощность, не более – 10 ВА.

5.2.8. Габаритные размеры, не более – 170х170х70 мм.

5.2.8. Масса, не более – 1.5 кг.

5.3 Условия эксплуатации Устройство должно сохранять работоспособность в условиях воздействия на них температур от 10 С0 до 40 С0, влажности 60±15 % при температуре 20 С0, давлении от 86 до 106 кПа.

6 Требования к технологичности Устройство должно быть выполнено на элементной базе широкого применения, и содержать минимум специализированных элементов. Конструкция устройства должна предусматривать возможность многократной замены элементов и обеспечивать высокую механическую прочность печатного монтажа.

7 Требования к уровню унификации В разрабатываемой конструкции необходимо стремиться к максимальному использованию стандартных компонентов и унифицированных изделий.

8 Требования к безопасности В отношении безопасности разработанное устройство должно отвечать требованиям ГОСТ 12.2.006 и обеспечивать электробезопасность, пожаробезопасность, механическую прочность и другие требования при монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте.

Лист

ЭТДФ.464328.029. ТЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

9 Экономические показатели Разрабатываемое устройство должно быть эффективно в отношении его производства с экономической точки зрения. Схемные решения должны иметь минимальную стоимость реализации.

10 Порядок контроля и приемки работы В процессе разработки контроль осуществляет руководитель дипломного проекта. Дипломный проект принимается Государственной экзаменационной комиссией.

Лист

ЭТДФ.464328.029. ТЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

СОДЕРЖАНИЕ Введение ……………………………………………………………………

1 Аналитический обзор ……………………………………………………

1.1 Обзор аудиокомплексов различных фирм-производителей …….

1.2 Акустические особенности воспроизведения звуковых сигналов в помещениях ………………………………………………………………

1.3 Особенности построения корректоров АЧХ ……………………..

1.4 Элементная база и способы управления отдельными устройствами …………………………………………………………………………

2 Обоснование построения и описание работы структурной и функциональной схем устройства ……………………………………………..

2.1 Описание структурной схемы устройства ………………………..

2.2 Обоснование функциональной схемы устройства ………………

3 Расчеты, подтверждающие работоспособность устройства…………...

3.1 Расчет генератора белого шума …………………………………...

3.2 Расчет графического эквалайзера …………………………………

3.3 Расчет микрофонного усилителя ………………………………….

3.4 Выбор и расчет параметров аналогового коммутатора ………….

3.5 Выбор и расчет параметров цифрового потенциометра …………

3.6 Выбор схемы включения микроконтроллера и расчет навесных элементов …………………………………………………………………..

3.7 Расчет сумматора …………………………………………………..

4 Описание конструкции проектируемого устройства …………………

4.1 Выбор и обоснование конструкции автоматического эквалайзера...

4.2 Компоновка радиоэлементов ………………………………………

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

Разраб. Провер.

№ докум.

Годунов Макаренко

Реценз. Н. Контр. Утверд.

Макаренко

Подпись

Дата

HI – FI аудиокомплекс с адаптивными регулировками тембра

Лит.

Лист

Листов

НТУУ "КПИ", ФЭЛ, ДЗ-53

4.3 Проектирование печатной платы …………………………………

4.4 Условия эксплуатации ……………………………………………

5 Экономическая часть ……………………………………………………

5.1 Анализ рынка ………………………………………………………

5.2 Определение уровня качества разрабатываемого изделия. …….

5.3 Расчет себестоимости эквалайзера ……………………………….

5.4 Выводы …………………………………………………………….

6 Охрана труда ……………………………………………………………

6.2 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при разработке и эксплуатации эквалайзера …………………

6.3 Выводы ……………………………………………………………... Приложения П1. Техническое задание ……………………………………………… П2. Перечень элементов ………………………………………………

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Приложение 1

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на дипломный проект на тему: «HI – FI аудиокомплекс с адаптивными регулировками тембра»

ЭТДФ.464328.029 ТЗ Изм.

Лист

Разраб. Провер.

№ докум.

Годунов Макаренко

Реценз. Н. Контр. Утверд.

Макаренко

Подпись

Дата

HI – FI аудиокомплекс с адаптивными регулировками тембра

Лит.

Лист

Листов

НТУУ"КПИ", ФЭЛ, ДЗ-53

THE SUMMARY Plant of projection is HI - FI audiosystem with an adaptive tone correction. The purpose of operation is the development of the high-quality device with the extended functional capabilities. In the project the development of an equalizer permitting to realize an automatic correction AFC is manufactured.

During projection designed the structural, functional and key circuit(scheme) of the device.

Usage of the designed device allows to expand functional capabilities domestic audiosystems. Applicaions: composite components stationary audiosystem, prefix to an automobile radio tape recorder.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОРОТОВ И СОКРАЩЕНИЙ АК – аналоговый ключ; АС – акустическая система; АЧХ – амплитудно-частотная характеристика; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ВЧ – фильтр верхних частот; ВЧ – верхние частоты; ДВ – длинные волны; ЖКД – жидкокристаллический дисплей; ЗГ – задающий генератор; МУ – микрофонный усилитель; НЧ – нижние частоты; ОГ – опорный генератор; ОЗУ – оперативно-запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ПКД – проигрыватель компакт-дисков; ПФ – полосовой фильтр; РТ – регулятор тембра; РУ – регулятор уровня; РФ – резонансный фильтр; СШП – система шумопонижения; УКВ – ультракороткие волны; УМ – усилитель мощности; УО – усилитель-ограничитель; ФНЧ – фильтр нижних частот; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ЦП – цифровой потенциометр.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

УДК 681.841.2

РЕФЕРАТ Дипломный проект содержит основную часть

на листах, количество ил-

люстраций , таблиц . Перечень ключевых слов: эквалайзер, цифровой потенциометр, микроконтроллер, «белый» шум, коррекция АЧХ. Объектом проектирования является HI – FI аудиокомплекс с адаптивной регулировкой тембра. Целью работы является разработка высококачественного устройства с расширенными функциональными возможностями. В проекте произведена разработка эквалайзера, позволяющего осуществлять автоматическую коррекцию АЧХ. В процессе проектирования были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства. Использование разработанного устройства позволяет расширить функциональные возможности бытовых аудиокомплексов. Область применения: составной компонент стационарного аудиокомплекса, приставка к автомобильной магнитоле.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ВВЕДЕНИЕ Качество звучания любой звуковой программы, прежде всего, определяется тембральной окраской звука. Для ее изменения предназначены регуляторы тембра или эквалайзеры. В большинстве современных аудиокомплексов присутствуют либо простейшие двухполосные регуляторы тембра, либо блоки фиксированных настроек, что явно недостаточно для корректного изменения тембральной окраски звуковой программы. В последнее время предпочтение все чаще отдается второму варианту, вследствие простоты и наглядности регулировки. В результате получается «коммерческое», неестественное звучание аудиокомплекса. Выпускаемые в настоящее время эквалайзеры с автоматической коррекцией АЧХ дают вполне естественное звучание, но они слишком сложны в эксплуатации и весьма дорогостоящие. В данном дипломном проекте предпринимается попытка найти компромиссное конструкторское и схемотехническое решение между недорогими аудиосистемами с фиксированными настройками и высококачественными автоматическими эквалайзерами.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ЛИТЕРАТУРА 1. Миди не сдается! / Клобуков С. – STEREO & VIDEO 1997, №11, с. 50-60.

2. Эти разные, разные лица / Клобуков С. – STEREO & VIDEO 1998, №1, с. 96111.

3. Помещение для прослушивания, что это? / Тихонов А. – Радио 1990, №3 с.65.

4. Акустика, с которой мы живем / Быструшкин К., Степаненко Л. – STEREO & VIDEO 1997, №11.

5. Радиовещание и электроакустика: Учебник для вузов/ А. В. Выходец, М. В. Гитлиц, Ю. А. Ковалгин и др.; Под ред. М. В. Гитлица. – М.: Радио и связь, 1989. – 432 с.; ил.

6. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем.М.: Мир, 1991. – 446 с.: ил.

7. Greiner, R. A., Schoessov, M.: Design Aspects of Graphic Equalizers. Journal Audio Eng. Soc., 6/1983.

8. Шина I2C. – Электронные компоненты и системы 1998, №6.

9. Цифровые потенциометры Analog Devices / Макаренко В. В. – Электронные компоненты и системы 1999, №3.

10. CD-ROM Microchip: 8-Bit CMOS Microcontrollers with A/D Converter PIC16C7X. 11. Сикарев А., Лебедев О. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов – М.: Радио и связь, 1983.

12. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры – М.: Мир, 1982.

13. Хьюлсман Л. П. Теория и расчет активных RC – цепей. Пер. с англ. Под ред. А. Е. Знаменского, И. Н. Теплюка – М.: Радио и связь, 1983.

14. CD-ROM Analog Devices: Data Sheets 1998.

Лист

ЭТДФ.464328.029 ПЗ Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Зона

Поз. обозначение

Наименование

Кол.

Примечание

Конденсаторы К10-17 ОЖО.460.107ТУ Конденсаторы К50-35 ОЖО.464.214ТУ C1…C4

К10-17-2б-Н50-0,1 мкФ±10%-5-В

4

C5

К50-35-25В-4,7 мкФ-И-В-А

1

C6

К50-35-25В-20 мкФ-И-В-А

1

C7…C10 К10-17-2б-Н50-0,0047 мкФ±10%-5-В

4

C11

К50-35-25В-20 мкФ-И-В-А

1

C12…C19 К10-17-2б-Н50-0,0047 мкФ±10%-5-В C20

К10-17-2б-Н50-0,0047 мкФ±10%-5-В

8 1

C21…C22 К50-35-25В-20 мкФ-И-В-А

4

C23…C26 К10-17-2б-Н50-0,0047 мкФ±10%-5-В

4

C27…C28 К10-17-2б-Н50-0,001 мкФ±10%-5-В

2

C29…C32 К10-17-2б-Н50-0,0047 мкФ±10%-5-В

4

Микросхемы DA1

AD7501

1

Analog Devices

DA2…DA4 AD8534

3

Analog Devices

AD7506

1

Analog Devices

DD1,DD2 AD5206

2

Analog Devices

DA5 DD3

К555ЛН1

1

DD4

PIC16C74

1

Microchip

Резисторы С2-23 ОЖ0.467.104ТУ Резисторы СП3-19 ОЖ0.467.134 ТУ R1

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R2

C2-23-0,125-16 кОм±5%-А-В-В

1

R3

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R4

C2-23-0,125-33 кОм±5%-А-В-В

1

R5…R7

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

3

R8

C2-23-0,125-1.1 MОм±5%-А-В-В

1

R9

C2-23-0,125-33 кОм±5%-А-В-В

1

R10…R25 C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

16

R26

C2-23-0,125-560 кОм±5%-А-В-В

1

R27

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

ЭТДФ.464328.029. ПЭ Изм. Лист Разраб. Пров.

№ докум Годунов Макаренко

Н. контр. Утв.

Макаренко

Подпись Дата

Эквалайзер автоматический. Перечень элементов

Лит.

Лист

Листов

НТУУ, ФЭЛ, ДЗ-53

Зона

Поз. ОбозначеНаименование ние R28 C2-23-0,125-16 кОм±5%-А-В-В R29…R31 C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

Кол.

Примечание

1 3

R32

C2-23-0,125-560 кОм±5%-А-В-В

1

R33

C2-23-0,125-16 кОм±5%-А-В-В

1

R34…R38 C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

5

R39

C2-23-0,125-270 кОм±5%-А-В-В

1

R40

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R41

C2-23-0,125-8.2 кОм±5%-А-В-В

1

R42

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R43

C2-23-0,125-270 кОм±5%-А-В-В

1

R44

C2-23-0,125-8.2 кОм±5%-А-В-В

1

R45

C2-23-0,125-16 кОм±5%-А-В-В

1

R46,R47

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

2

R48

C2-23-0,125-130 кОм±5%-А-В-В

1

R49

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R50

C2-23-0,125-4.2 кОм±5%-А-В-В

1

R51

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R52

C2-23-0,125-130 кОм±5%-А-В-В

1

R53

C2-23-0,125-4.2 кОм±5%-А-В-В

1

R54,R55

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

2

R56

C2-23-0,125-68 кОм±5%-А-В-В

1

R57

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R58

C2-23-0,125-2.2 кОм±5%-А-В-В

1

R59

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

R60

C2-23-0,125-68 кОм±5%-А-В-В

1

R61

C2-23-0,125-2.2 кОм±5%-А-В-В

1

R62,R63

C2-23-0,125-10 кОм±5%-А-В-В

1

Диоды VD1

КД521

1

Генераторы ZQ1

Кварцевый резонатор MQ-UM-1

1

ЭТДФ.464328.029. ПЭ Изм. Лист

№ докум

Подпись Дата

Лист