Басқару үшін микроконтроллерлер
МАЗМҰНЫ
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3
1
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЛЕР. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
4
1.1
Басқару үшін микроконтроллерлер ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
9
1.2
Микроконтроллерлерді қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
11
2
БФАТ Х-ДИАПАЗОННЫҢ ПЕРСПЕКТИВТІ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ҚАБЫЛДАҒЫШ-ТАРАТҚЫШ МОДУЛІ ЖӘНЕ ОНЫҢ ПАРАМЕТРЛЕРІН ӨЛШЕУ ӘДІСТЕМЕСІ ... ... ... ... .
15
2.1
Жиілік диапазонындағы БФАТ Ku қабылдағыш-таратқыш модульдері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
20
2.2
Белсенді фазаланған антенналық тордың сандық қабылдау-беру модулі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
23
2.3
БФАР қабылдағыш-таратқыш модулін іске асыру ерекшеліктері ... ... .
29
3
ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
37
3.1
Объектінің сипаттамасы және функционалдық ерекшелігі ... ... ... ... ...
37
3.2
Микроконтроллер ресурстарының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
38
3.3
Құрылғы алгоритмдерін әзірлеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
40
3.4
Инфрақызыл қабылдағыш негізіндегі температуралық датчик ... ... ... ..
45
3.5
Элементтік базаны және принциптік схеманың жұмысын таңдау ... ... .
48
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
51
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ..
52
Қосымша А ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
55
Қосымша Б ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
56
Қосымша Г ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
57
КІРІСПЕ
Электроника дамуының қазіргі кезеңі жұмыс алгоритмінің байқаусызда өзгеруіне жол бермейтін, бір қатаң берілген схемаға байланысты жекелеген дискретті элементтерде емес, микропроцессорларды немесе микроконтроллерлерді пайдаланатын цифрлық құрылғылардың кең таралуымен сипатталады. Мұндай құрылғылар нақты міндет немесе міндеттер класы бойынша жобаланатын аппараттық бөлігі (схемасы) және құрылғының мінез-құлқын басқаратын бағдарламалық бөлігі болады, бұл ретте бағдарламаны өзгерту жеңілдігі схеманы қозғамай, құрылғыны басқаратын алгоритмдерді өзгертуге мүмкіндік береді. Қазіргі әлемде тақырыптың өзектілігі маңызды: құрылғылардың (автомобильден ойыншыққа дейін) электронды тораптарының басым көпшілігінде микроконтроллерлер қолданылады.
Микроконтроллерлер микропроцессорлық электрониканың ең бұқаралық өкілдері болып табылады. Бір корпуста микросхеманы интеграциялай отырып, жоғары өнімді процессор, жедел және тұрақты жады, сондай-ақ перифериялық құрылғылар жиынтығы, микроконтроллерлер ең аз шығынмен әр түрлі объектілер мен процестерді басқару жүйелерінің кең номенклатурасын іске асыруға мүмкіндік береді.
Микроконтроллерлердің ақпаратын енгізушығаруға арналған құрылымдық ұйым, командалар мен аппараттық құралдар бағдарламалық қамтамасыздандыру мәліметтерді өңдеу мәселелерін шешуге емес, құрылғылардағы, құрылғылардағы және автоматтандыру жүйелеріндегі басқару және реттеу мәселелерін шешуге жақсы келеді. Микроконтроллер классикалық электронды - есептеу машиналары болып табылмайды, өйткені бағдарлама мен деректер жадының физикалық және логикалық бөлінуі жұмыс кезінде микроконтроллердің қолданбалы бағдарламаларын түрлендіру немесе ауыстыру (қайта жүктеу) мүмкіндігін болдырмайды, бұл оларды деректерді өңдеудің әмбебап құралдары ретінде пайдалануды қиындатады.
Сондықтан микроконтроллерлер өнеркәсіптік автоматикада, бақылау өлшеу техникасында, байланыс аппаратурасында, тұрмыстық техникада және адам қызметінің басқа да көптеген салаларында кеңінен қолданылады.
Жұмыстың мақсаты - қабылдағыш-таратқыш модульдерінің параметрлерін басқару және өлшеуді микроконтроллерлерді қолдана отырып жүзеге асыру.
Зерттеу жұмысының міндеттері:
Қабылдағыш-таратқыш модульдің құрамын зерттеу;
Қабылдағыш-таратқыш модульдің пайдалану ерекшеліктерін қарастыру;
Қабылдағыш-таратқыш модульдерді өлшеуді микроконтроллер қолдана отырып жүзеге асыру.
1 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЛЕР. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
Микроконтроллерлер сыртқы шағын микросхемаларға ұқсайды. Олардың кристалында өзіндік микрокомпьютер құрастырылды. Бұл дегеніміз, корпус құрылғысына бір-бірімен, сыртқы құрылғыларымен өзара әрекеттесетін жад, процессор және перифериялық құрылғылар жөнделеді және корпус ішінде сақталатын ерекше микробағдарламаның басшылығымен жұмыс істейді.
Микроконтроллерлер әртүрлі электронды аспаптар мен құрылғыларды басқаруға арналған. Олар тек компьютерлерде ғана емес, әртүрлі тұрмыстық техникаларда, өндірістегі роботтарда, теледидарда, қорғаныс өнеркәсібінде қолданылады. Микроконтроллер түрлі электрониканы басқаруды жүзеге асыратын әмбебап құрал болып табылады. Бұл ретте басқарушы командалардың алгоритмін адам оған дербес салады және жағдайға байланысты оны кез келген уақытта өзгерте алады [1].
Қазіргі таңда екі ондаған компания шығаратын i8051-мен үйлесімді микроконтроллерлердің 200-ден астам модификациясы және басқа типтегі микроконтроллерлердің көп түрі бар. Құрастырушылар арасында кең қолданысқа ие 8-битті Microchip Technology фирмасының PIC микроконтроллерлер және Atmel фирмасының AVR микроконтроллері, 16-битті TI фирмасының MSP430 микроконтроллері, сондай-ақ 32-битті ARM сәулетінің ARM Limited фирмасы әзірлейтін және лицензиялы түрде басқа фирмаларға сататын микроконтроллері пайдаланылады.
Сурет 1 - 16-биттік 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Сурет 2 - DIP корпусындағы Atmel AVR ATmega8 микроконтроллері
Сурет 3 - AVR микроконтроллерінің құрылғысы
Микроконтроллер параметрлердің көп санымен сипатталады, өйткені ол бір мезгілде күрделі бағдарламалық-басқарылатын құрылғы және электрондық аспап (микросхемалар) болып табылады. Микроконтроллердің атауындағы микро префиксі микроэлектронды технология бойынша орындалатынын білдіреді.
Жұмыс барысында микроконтроллер командаларды жадыдан немесе енгізу портынан оқиды және оларды орындайды. Әрбір команда дегеніміз, микроконтроллер командаларының жүйесімен анықталады. Командалар жүйесі микроконтроллер архитектурасында салынған және команда кодын орындау белгілі бір микрооперациялар микросхемасының ішкі элементтерімен көрсетіледі [2].
Микроконтроллер корпусының ішінде оның барлық құрылымының негізгі элементтері бар. Мұндай құрылғылардың үш класы бар: 8, 16 және 32 биттік. Оның ішінде 8-разрядты модельдер өнімділігі аз. Ол объектілерді басқарудың қарапайым міндеттерін шешу үшін жеткілікті. 16-разрядты микроконтроллерлер - жаңғыртылған 8-разрядты. Олар командалардың кеңейтілген жүйесіне ие. 32-разрядты құрылғылар жалпы мақсаттағы жоғары тиімді процессорды қамтиды. Олар күрделі нысандарды басқару үшін қолданылады.
Сурет 4 - Микроконтроллер құрамы
Арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ) - арифметикалық және логикалық операцияларды орындауға арналған, АЛҚ жалпы мақсаттағы тіркелімдермен жиынтығында процессор функциясын орындайды.
Жедел-есте сақтау құрылғысы (ЖЕҚ) - микроконтроллердің жұмысы кезінде деректерді уақытша сақтауға арналған.
Бағдарлама жадысы - қайта бағдарламаланатын тұрақты есте сақтау құрылғысы түрінде орындалған және микроконтроллерді басқару микробағдарламасын жазуға арналған.
Деректер жады кейбір микроконтроллерде барлық мүмкін болатын константаларды, функциялардың кестелік мәнін және т. б. сақтау үшін жады ретінде қолданылады.
Микроконтроллердің құрамында басқа да қосалқы элементтер болуы мүмкін.
Аналогты компаратор - оның кірісінде екі аналогты сигналдарды салыстыруға арналған.
Микроконтроллердегі таймерлер микроконтроллердің жұмысында әртүрлі уақыт аралықтарын орнату және әртүрлі кідірістерді жүзеге асыру үшін қолданылады.
Аналогты-сандық түрлендіргіш (АСТ) - аналогты сигналды микроконтроллерге енгізу үшін қажет және оның функциясы аналогты сигналды цифрлық сигналға аудару.
Сандық-аналогтық түрлендіргіш (САТ) кері функцияны орындайды, яғни сандық түрдегі сигнал аналогтық түрге түрлендіреді.
Арифметикалық-логикалық құрылғы логикалық және арифметикалық операцияларды жасау үшін қызмет етеді, процессордың жұмысын жалпы мақсаттағы тіркелімдермен бірге орындайды.
Жедел есте сақтау құрылғысы микроконтроллердің жұмыс істеуі кезінде ақпаратты уақытша сақтау үшін қызмет етеді.
Бағдарлама жады негізгі құрылымдық элементтердің бірі болып табылады. Ол қайта бағдарламалау мүмкіндігімен тұрақты есте сақтау құрылғысына негізделген және микроконтроллердің жұмысын басқару микробағдарламасын сақтау үшін қызмет етеді. Ол тігіс деп аталады. Оны құрылғыны әзірлеуші өзі жазады. Бастапқыда бағдарлама жадында зауыт ештеңе салмайды және ешқандай деректер жоқ. Құрылғы жасаушы программатордың көмегімен тігісті ішке жазады.
Деректер жады әр түрлі тұрақты шамаларды, кестелік деректерді және т.б. жазу үшін кейбір микроконтроллерлердің үлгілерінде қолданылады.
Сыртқы құрылғылармен байланыс үшін енгізу-шығару порттары бар. Олар сондай-ақ сыртқы жадты, түрлі датчиктерді, атқарушы құрылғыларды, жарық диодты, индикаторларды қосу үшін қолданылады. Енгізу-шығару порттарының интерфейстері әртүрлі: параллель, тізбекті, USB шығыстармен жабдықталған, WI FI. Бұл әр түрлі басқару салалары үшін микроконтроллерлерді қолдану мүмкіндігін кеңейтеді [3].
Аналогты-сандық түрлендіргіш микроконтроллердің кіруіне Аналогты сигнал енгізу үшін қажет. Оның міндеті аналогтық түрден цифрлық түрге түрлендіру болып табылады.
Аналогтық компаратор кіруде аналогтық түрдің екі сигналын салыстыру үшін қызмет етеді.
Таймерлер диапазондарды орнату және микроконтроллердің жұмыс істеу уақытын кешіктіру үшін қолданылады.
Сандық-аналогтық түрлендіргіш сандық сигналдан аналогтық сигналға түрлендіру бойынша кері жұмысты орындайды.
Микроконтроллердің әрекеті микро бағдарламамен бірге жұмыс істейтін синхрондау блогының көмегімен тактілі импульстермен генератормен синхрондалады. Тактілік импульстер генераторы ішкі және сыртқы болуы мүмкін, яғни тактілік импульстер бөгде құрылғыдан берілуі мүмкін.
Нәтижесінде микроконтроллерлерді электрондық конструкторлар деп атауға болады. Олардың негізінде кез келген басқару құрылғысын жасауға болады. Бағдарламалар арқылы ішкі элементтерді қосуға немесе ажыратуға, осы элементтердің өзіндік әрекет тәртібін орнатуға болады.
Оларды пайдалану аясы үнемі кеңеюде. Микроконтроллерлер әр түрлі механизмдер мен құрылғыларда қолданылады. Оларды қолданудың негізгі салалары:
Авиациялық өнеркәсіп.
Робототехника.
Өнеркәсіптік жабдықтар.
Теміржол көлігі.
Автокөліктер.
Электронды балалар ойыншықтары.
Автоматты шлагбаумдар.
Бағдаршамдар.
Компьютерлік техника.
Автомагнитолдар.
Электрондық музыкалық аспаптар.
Байланыс құралдары.
Лифт басқару жүйелері.
Медициналық жабдықтар.
Тұрмыстық техника.
Мысалы, автокөлік электроникасында микроконтроллерлерді пайдалануды қарастыруға болады. Кейбір Пежо автокөліктерінде 27 түрлі микроконтроллер орнатылған. БМВ элиталық үлгілерінде осындай 60-тан астам құрылғы қолданылады. Олар аспаның қаттылығын, отынды бүрку, жарықтандыру аспаптарының, шыны тазалағыштардың, шыны көтергіштердің және басқа да механизмдердің жұмысын бақылайды.
Цифрлық жүйені әзірлеу кезінде микроконтроллердің дұрыс моделін жасау қажет. Негізгі мақсат - барлық жүйенің жалпы құнын азайту үшін арзан контроллерді таңдау. Алайда, ол жүйенің ерекшелігіне, сенімділік талаптарына, өнімділікке және пайдалану шарттарына сәйкес келуі қажет.
Микроконтроллерді таңдаудың негізгі факторлары:
Қолданбалы жүйемен жұмыс істеу қабілеті. Бұл жүйені бір кристалды микроконтроллерде немесе арнайы микросхемада жүзеге асыру мүмкіндігі.
Микроконтроллерде порттардың, контактілердің қажетті санының болуы, өйткені олар жетіспеген жағдайда ол тапсырманы орындауға қабілетсіз, ал егер артық порттар болса, онда құны жоғары болады.
Қажетті перифериялық құрылғылар: әртүрлі түрлендіргіштер, байланыс интерфейстері.
Құны артатын жұмыс үшін қажет емес басқа қосалқы құрылғылардың болмауы.
Контроллер ядросы қажетті өнімділікті қамтамасыз ете алатындығын: белгілі бір қолданбалы бағдарламалау тілінде жүйе сұрауларын өңдеуге мүмкіндік беретін есептеу қуаты.
Бағдарлама бюджетінде қымбат тұратын микроконтроллерді қолдану үшін жеткілікті қаржы мөлшерінің болуы. Егер ол бағаға сәйкес келмесе, онда қалған сұрақтар мағынасы жоқ және әзірлеуші басқа микроконтроллерді іздеуі тиіс [4].
Қол жетімділік. Бұл факторға келесі тармақтар кіреді:
1. Қажетті саны.
2. Қазіргі уақытта шығарылады ма?
3. Әзірлеушінің қолдауының болуы.
4. Бағдарламалау тілдерінің, жерішілік эмуляторлардың, жөндеу құралдарының және компиляторлардың болуы.
Ақпараттық қолдау:
1. Кәсіби мамандармен байланыс.
2. Қызметкерлердің біліктілігі және олардың көмек көрсетуге және проблемаларды шешуге қызығушылығы.
3. Бағдарлама мәтіндерінің мысалдары.
4. Бағдарламалар мен тегін ассемблерлер.
5. Қате әрекеттер туралы хабарламалар.
6. Пайдалану мысалдары.
Дайындаушы зауыттың сенімділігі. Бұл факторға кіреді:
1. Осы тақырып бойынша жұмыс кезеңі.
2. Бұйымдардың сапасы, жасаудың сенімділігі.
3. Ғылыми әзірлемелермен расталған кәсіби құзыреттілік.
1.1 Басқару үшін микроконтроллерлер
Қазіргі уақытта автокөлік жабдықтары нарығында көптеген қоректену құрылғылары, барлық мүмкін іске қосу-зарядтау станциялары (ҚЗС) және т. б. бар. Автосервис шығындарын азайту үшін шығу параметрлерін басқару мүмкіндігі болуы тиіс әмбебап зарядтау құрылғыларын сатып алуға ұмтылады. Бұл мәселені шешу үшін көп жағдайда микроконтроллерлер (МК) қолданылады.
Бірінші микроконтроллерлер нарыққа шыққаннан кейін олардың дамуы екі басты бағыт бойынша жүрді. Бір жағынан, бұл үлкен жады қоры, үлкен мөлшері бар және күрделі командалар жиынтығын пайдаланатын қуатты микросхемалар. Екінші жағынан, бұл шағын өлшемдері бар және күрделі емес перифериялық құрылғыларды басқару мүмкіндігі бар микроконтроллерлер. Елеулі айырмашылық бағасында. Core процессорлары сияқты қуатты микросхемалар бірнеше жүз доллар тұрады,ал бір кристалды МК 1- ден 20 долларға дейін тұрады.
Микроконтроллерлер әлемінде революция болып Atmel компаниясы AVR прогрессивті ядросында чиптер желісін шығарған 1996 жыл саналады. Олардың басты ерекшелігі МК жылдамдығы мен тиімді бағасында.
AVR микроконтроллерлері бірнеше тармақтарға бөлінеді: Tiny AVR; Mega AVR; Mega AVR (арнайы сериясы) [5].
Бірінші топтың микроконтроллерлеріне бюджеттік шешімдерге жатады. Олардың аз Flash жады мен аз қорытындылары бар. Негізінен әртүрлі датчиктерді басқару үшін қолданылады.
Mega микроконтроллерлері үлкен мөлшерде қорытындыларға ие, бұл дамыған жүйелі перифериялық құрылғыларды қосуға мүмкіндік береді. Олар қосымша деректер жады мен бағдарлама жадына ие. Оларды күрделі өлшеу аспаптары мен перифериялық құрылғылардың бақылауларында қолданылады. Ішкі жүйелік бағдарламалау мүмкіндіктері бар.
Өзінің нарыққа шығу кезінде 32 разрядтық микроконтроллерлер салыстырмалы түрде жоғары бағаға ие болды. Бірақ бүгінгі күні бәрі өзгерді. Бүгінгі күні 8-ші және 32-ші разрядтық МК арасындағы елеулі айырмашылық перифериялық құрылғыларды қамтитын дайын жүйенің соңғы құны болып табылады. Әдетте, 32 биттік микроконтроллер 8 биттік құрылғыға қарағанда осы құрылғылардың көп санын қамтиды.
Мысалы, Silicon Labs компаниясының EFM32ZG микроконтроллерін қарастырайық (сурет 5).
Сурет 5 - Silicon Labs компаниясының EFM32ZG микроконтроллері
Негізгі сипаттамалары:
ARM процессор платформасының Cortex-М0 ядросы
24 МГц дейін жоғары өнімді 32-разрядты процессор
Үзу контроллері
32КБ Flash
4 КБ ЖҚБ
37 жалпы мақсатты қорытындыға дейін
16 асинхронды сыртқы үзіліске дейін
2 x 16 биттік таймер есептеуіш
2x3 PWM арналары
1 x 24 биттік нақты уақыт есептегіші
1 x 16 биттік импульс есептегіші
Бөлінген RC-генераторы бар таймер
UART интерфейсі интерфейс
UART бойынша төмен энергия тұтыну
Біріктірілген температура сенсоры
0,05 және 64 МКА арасындағы диапазондағы ток
1x Аналогты Компаратор
Қуат Кернеуінің Компараторы
2-түйісу тізбекті интерфейс жөндеу кірісі
Температура диапазоны -40-85ºC дейін
Электр қорегі 1,98 дейін 3,8В дейін.
Бұл микросхема 32 биттік микроконтроллер туралы жақсы түсінік береді. Бақылау және басқару жүйесі сегментіндегі тиімді шешім 32 разрядтық микроконтроллерді пайдалану болып табылады, өйткені олар төмен құны мен жоғары функционалды жиынтыққа ие. 8 және 16 разрядтық жүйелерді пайдалану энергия тұтынуға қатаң талаптар кезінде ғана оңтайлы бар [6].
1.2 Микроконтроллерлерді қолдану
Tiny тобының AVR шағын микроконтроллерлері келесі құрылғыларды құру үшін қолданылады:
электронды ойыншықтар;
автокөлік өнеркәсібінде түрлі датчиктер;
түтін және жалын детекторлары, температура датчиктері, түрлі шамаларды өлшегіштер;
арзан зарядтау құрылғылары, кернеу және ток көрсеткіштері;
әртүрлі тұрмыстық және өнеркәсіптік техника үшін басқару пульттері;
басқа қымбат емес және шағын электрондық құрылғылар.
Сурет 6 - Tiny тобының AVR микроконтроллерлері
Mega және xmega топтарының 32-bit AVR чиптері күрделі құрылғыларда қолданылады:
робототехника;
спутниктік навигациялық жүйелер;
бағдарламалы функционалдық разрядтық-зарядтау құрылғылары;
күрделі қашықтан басқару жүйелері;
желілік құрылғылар;
деректерді беру және өңдеу үшін жылдам әрекет ететін жүйелер;
күрделі тұрмыстық техника;
тач-скринингтік ақпаратты енгізу және көрсету құрылғылары (Touch-screen);
:: басқа да көп функциялы құрылғылар.
Сурет 7 - Mega және xmega топтарының AVR микроконтроллерлері
Қолдану санаттары бойынша микроконтроллерлерді пайдалану идеялары мен тәсілдерінің аз тізбесін келтіремін:
Бастаушы: жарықдиодты жыпылықтағыш, сүйектің виртуалды ойыны, таймер, пернені басу есептегіші;
Мереке және сыйлық: дыбыстық қобдиша, жыпылықтайтын жұлдыз немесе жүрек, шыршаға арналған гирлянда, түсқағаз;
Жарнама: жарық диодты табло, символдары бар жүгіртпе жол, жарық диодты аппликация;
Робототехника: робот-шаңсорғыш, радио арнасы бойынша басқарылатын робот-ойыншық, робот-сканер құжаттар;
Өлшемдер: жиілік өлшегіш, сигнал генераторы, мультиметр, температура, қысым, жарықтандыру өлшеуіші, қолдан жасалған метеостанция;
Қауіпсіздік: ұялы байланыс арқылы хабарлайтын ақылды сигнал беру, кодтық құлып, есікке қол жеткізуге арналған электрондық кілт, түтін детекторы, су ағатын сигнализатор;
Өндіріс: CNC токарлық станокты басқару модулі, автоматты бақылау және заттарды есепке алу, қазандықты басқару;
Байланыс: жиілік индикаторы, сигнал декодер, радиостанцияны басқару модулі, антеннаның Автоматты бұру құрылғылары;
Энергетика: күн панельдерін бұруды басқару, зарядтау
Бұл бізге микроконтроллерлер беретін мүмкіндіктер мен идеялардың кең ауқымынан кішкене бөлігі ғана [7].
Сурет 8 - Өткізгіштерді бұрап монтаждау технологиясы
Микроконтроллерлердің пайда болуымен барлығы әлдеқайда ыңғайлы және оңай болды. Тек бір ғана ATtiny13 чипінің негізінде, мысалы, бірнеше ондаған, мүмкін жүздеген микросхемалар қажет болатын құрылғыны жинауға болады.
Қазіргі уақытта сандық микросхемаларда логиканы жағудың қажеті жоқ - барлық логика үшін микроконтроллер жауап бере алады, енді өзінің барлық күші қажетті тапсырманы шешу үшін осы микроконтроллердің дұрыс байлауына шоғырлана алады, ал әрі қарай микроконтроллерге бағдарлама тігу жазу қалады.
Сонымен қатар, AVR микроконтроллерінде Arduino - электронды конструктор, автоматтандыру мен басқарудың әр түрлі құрылғыларын тез және ыңғайлы әзірлеуге арналған платформа жұмыс істейді. Бұл шешім бағдарлама кешенінен және аппараттық құраушылардан тұрады - құрамдастары бар баспа платалары, олардың орталық және басты рөлі AVR - ATmega328, ATmega168, ATmega2560, ATmega32U4, ATTiny85 микроконтроллерімен (ескі модельдерде - ATmega8, ATmega1280 және басқалар).
Сурет 9 - Arduino негізгі платасы және қосымша модульдер
Бұл шолу өте қысқа, шын мәнінде AVR микроконтроллерлердің қолдану салалары әлдеқайда көп [8]. Бір күні үйде қандай да бір құрылғыны бөлшектей отырып, сіз оның ішінде AVR чип көре аласыз және мұнда табиғаттан тыс ештеңе жоқ, микроконтроллерлер барлық танымал және әр түрлі салаларда кеңінен қолданылады.
2 БФАТ Х-ДИАПАЗОННЫҢ ПЕРСПЕКТИВТІ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ҚАБЫЛДАҒЫШ-ТАРАТҚЫШ МОДУЛІ ЖӘНЕ ОНЫҢ ПАРАМЕТРЛЕРІН ӨЛШЕУ ӘДІСТЕМЕСІ
Қазіргі уақытта радиолокацияда белсенді фазаланған антенна торлары (БФАТ) үлкен танымалдылыққа ие. БФАТ кеңістікті шолудың жаңа әдістерін қолдануға, РЛС мүмкіндігін едәуір кеңейтетін қабылдағыш-таратқыш антеннасының рұқсат ету қабілеті мен әрекет ету қашықтығын арттыруға мүмкіндік береді. БФАТ негізгі элементтері қабылдағыш-таратқыш модульдері (ҚТМ) болып табылады. Осы ҚТМ функционалдығын арттыру әр түрлі міндеттерді орындауға және БФАТ шығыс сипаттамаларын жақсартуды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Ол үшін ҚТМ құрамына функциялардың кең жиынтығы және ең аз габаритті өлшемдері бар тораптар енгізіледі. Бұл жұмыста көп функциялы ҚТМ БФАТ, оның ерекшеліктері және алынған эксперименталды шығу электр сипаттамалары қарастырылады. Әзірленген ҚТМ БФАТ 10 суретте бейнеленген.
Сурет 10 - ҚТМ БФАТ
Модульдің барлық құрамдас элементтері LTCC керамикасында орналасқан. LTСC көп қабаттылығы негіз ішінде аса жоғары жиілікті (АЖЖ) және төмен жиілікті (ТЖ) өткізгіштерді қажетті ажыратуды жүргізуге және сол арқылы модуль ішіндегі кеңістікті едәуір үнемдеуді қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ҚТМ БФАТ құрамында осындай негізді қолдану АЖЖ энергияның аз жоғалуын және өндірістің қымбат емес құнын қамтамасыз етеді, бұл АЖЖ аспаптарын өндіру үшін негізгі артықшылығы болып табылады [9]. LTCC керамикасын таңдау бұл жұмыста ҚТМ ішіндегі орынды едәуір үнемдеумен қатар, сонымен қатар модульдердің беттік-контактілі қосылуын қамтамасыз ету қажеттілігімен де негізделді. Модульдердің беттік контактілі қосылымы (МБКҚ) - байланыс қосқышы арқылы қысымға негізделген қосылу тәсілі, модульдің шығыстық АЖЖ контактісі және одан әрі жұмыс істеу үшін ҚТМ орналасатын бет. МБКҚ 11 суретте көрсетілген.
Сурет 11 - Модульдердің беттік контактілі қосылымы
LTCC ерекшеліктері есебінен АЖЖ және ТЖ байланыс технологияларын LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығаруға және дөңгелек алаңдар түрінде орындауға болады [10]. 12 суретте LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығарылған байланыс алаңдары көрсетілен.
Сурет 12 - LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығарылған байланыс алаңдары модульдері
Мұндай беттік байланыс алаңшаларын жүзеге асыру байланыс айырғыш арқылы АЖЖ энергиясын беру үшін модульдің беттерімен қосылуын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс кабель модульдерін қосумен байланысты және құрастырудың пайда болатын кемшіліктерін қажетсіз АЖЖ шығындарды азайтуды қамтамасыз етеді. LTCC керамикасы қажетті металл негізде орналасқан, ол қуатты АЖЖ чиптерінен жақсы жылу шығаруды қамтамасыз етеді (PUM, VUM), АЖЖ энергиясын беру үшін байланыс АЖЖ қосқышы қажет. Модульдің негізгі түйіндерін қуатпен қамтамасыз ету және басқару үшін модульдің төмен жиілікті бөлігінде дәл осындай байланыс қосқышы қажет. АЖЖ және ТЖ қосқыштарының түрлері 13 суретте көрсетілген.
Сурет 13 - АЖЖ және ТЖ қосқыштар
АЖЖ және ТЖ қосқыштар деректері модульдің металл негізіндегі іріктемеге салынады және резина тығыздағышпен бекітіледі, ол қосқыштың үлгі ішінде сенімді бекітілуін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. ҚТМ БФАТ шығыс параметрлерін бақылау үшін 14 суретте көрсетілген өлшеуіш түзеткіш әзірленген.
Сурет 14 - ҚТМ БФАТ шығыс параметрлерін бақылауға арналған өлшеу түзеткіш
Түзетуде қолданылатын элементтердің енгізілген өлшенетін түзеткіштегі АЖЖ шығындарды элементтер көмегімен өлшеу үшін 14-15 суреттерде көрсетілген шығындарды өлшеу конструкция жиналды [11].
Сурет 15 - Өлшеуіш қаптамадағы шығындарды өлшеуге арналған конструкция
Барлық конструкцияны және АЖЖ ауысуларының шығындарды есептеу үшін қажетті эксперименталды тексеру нәтижелері 1-кестеге жинақталған көрсетілген.
Кесте 1 - Шығындарды өлшеуге арналған барлық конструкция мен АЖЖ ауысулардың эксперименттік тексеру нәтижелері
№
Атауы
Барлық конструкция
СВЧ ауысулар
1
Максимум S21 (жоғалту), дБ
0,72
0,57
2
Максимум КСВН кіріс
1,26
1,21
3
Максимум КСВН шығыс
1,19
1,20
Эксперименталды тексеру кезінде алынған максималды мәндерді пайдалану қажет болатын есепті жүргізе отырып, КРПГ.433434.054 байламында пайда болатын шығындарды есептеуге болады - АЖЖ қосқыш - КРПГ.433434.054: п. 054-АЖЖ соед -.054 = Побщ - Ппер = 0,72 - 0,57 = 0,15 [дБ]. Нәтижелерін есептеу және эксперименттік тексеру кезеңінен, бұл әзірленген өлшеу түзеткішінде ҚТМ әрбір шығысында 0,15 дБ кем құрайды [12]. Осы бұйымға жиналған автоматтандырылған өлшеу стендінде ҚТМ арқылы әзірленген электр параметрлерін өлшеу жүргізілді. Тарату және қабылдау арналарын өлшеу нәтижелері 16, 17, 18 суреттерде көрсетілген.
Сурет 16 - Жиілік бойынша тарату арнасының шығыс қуаты
Сурет 17 - Жиілікке байланысты бірінші қабылдау арнасын күшейту коэффициенті
Сурет 18 - Жиілікке байланысты екінші қабылдау арнасын күшейту коэффициенті
16-суреттегі шығыс қуатының параметрлерінің мәндері түзетудегі шығындарды ескере отырып көрсетілген [13, 14]. Жұмыс барысында көпфункционалды ҚТМ БФАТ, сондай-ақ оның электр параметрлері қарастырылды. Өлшеуіш стендте құрамына беттік контактілі қосылыстары бар түзету кіретін ҚТМ БФАТ электр параметрлерін өлшеу әдістемесі әзірленді. ҚТМ БФАТ өлшеу кезінде электр параметрлері тұрақты қайталанатындығы әзірлеу кезінде таңдалған шешімдердің дұрыстығын көрсетеді.
2.1 Жиілік диапазонындағы БФАТ Ku қабылдағыш-таратқыш модульдері
Соңғы жылдары отандық АЖЖ электроникасының қарқынды дамып келе жатқан бағыттарының бірі - жылдамдығы жағынан ФАР жүйелерінен ерекшеленетін, белсенді фазалық массивтік антенналарымен (БФAT) жүйелердің бағыты болып табылады, олар көптеген мақсаттарда бір уақытта жұмыс істей алады және режимдерді өзгертеді. Бұл кең қолданылатын кең жолақты монолитті интегралды схемаларды (МИС) өнеркәсіптік шығаруды игергеннен кейін мүмкін болды: аз шу шығаратын және қуатты күшейткіштер, арналарды ауыстырып қосқыштар, ауыстырып қосылатын фаза айналғыштар мен аттенюаторлар, қорғаныс құрылғылары. Нәтижесінде, жиіліктердің х диапазонындағы белсенді ФАР арналған модульдер бірнеше жылдан бері сериялық түрде шығарылады. Сонымен қатар, Ku жиілік диапазонындағы БФАТ үшін модуляцияларда қажеттілік пайда болды. Ku жиілік диапазонындағы екі поддиапазонды қабылдағыш-таратқыш модульдері 19 суретте көрсетілген.
Сурет 19 - Әзірленген қабылдағыш-таратқыш модулінің құрылымдық схемасы
Модульдер бір қабылдау (БҚ) және тарату арнасынан (ТА) тұрады. Оларда бір функциялы монолитті интегралды схемалар қолданылады. 1x2 қосқышы тарату немесе қабылдау арналарын қосады. Одан әрі ТА арнасының құрамында келісілген күшейткіштер мен қуатты күшейткіштер, ТА арнасының шығуының айырымы және ТА арнасының кіруіне арналған 6-разрядты фаза айналғыш және феррит циркуляторы. Бұл жағдайда Х құрылымды циркулятор пайдаланылады, ол дегеніміз қабылдағыштың қорғаныс құрылғысының жүруінен көрініс тапқан қуат келісілген жүктемеде жұтуға мүмкіндік береді. БҚ арнасына мыналар кіреді: пассивті қорғаныс құрылғысы, төмен шу және сәйкес келетін күшейткіштер, 5-разряд күшейткіш және 6-разрядты фазалық ауыстырғыш. Модуль құрамында фаза айналғыштарды, аттенюаторды және ауыстырып қосқышты сандық басқару үшін драйверлер бар. Модуль құрылымдық түрде герметикалық белсенді АЖЖ тораптары, феррит вентильдері мен циркуляторлар, сондай-ақ бірыңғай негізде құрастырылған қосымша поликор платалары болып табылады (сурет 20). Көлемді электронды АЖЖ тізбектерінің тұжырымдамасын жүзеге асыратын және LTCC технологиясын қолдану арқылы жасалған үлкен көп қабатты керамикалық тақталарда диаграмма құрушы рөлді орындайтын МИС жоғарғы қабатта, ал төменгі қабатта МИС драйверлері орнатылады [15]. Шағын бірегейлендірілген көп қабатты керамикалық платада аз шулы және қорғаныс құрылғысы бар МИС орналасқан. Жақсы жылу ағынын қамтамасыз ететін таратушы арналардың жобаланған және шығыс каскадтары металл керамикалық корпустарда жасалынған (сурет 21). АЖЖ сигналдары микротолқынды кіру шығу арқылы беріледі. Басқару және тогы әлсіз қоректену кернеуі үлкен көп қабатты платаның қыш қақпағының контактілі алаңдарына беріледі. Шығыс қуат күшейткішіндегі қуат кернеуі жақын орналасқан түйреуіш арқылы беріледі.
Сурет 20 - Модульдердің сыртқы көрінісі
БФАТ арналған модульдің ені толқынның жұмыс ұзындығымен анықталады. Ені 1-ші литерлер үшін 11 мм-ге тең және 2-ші литерлер үшін 10 мм-ге тең модульдер әзірленген. Кеңдігі бойынша шектеуге байланысты әзірленген модульдер жиіліктердің Х диапазонындағы модулдерге қарағанда компоненттердің тығыз орналасуымен ерекшеленеді. Бұл бірінші кезекте модульдер параметрлерінің тұрақтылығын қамтамасыз ету міндетін қиындатты.
Сурет 21 - Қуатты транзисторлық күшейткіштің металл керамикалық корпусы
Модульді дайындау технологиясында типтік технологиялық процестер қолданылады. Әзірленген модульдерді жасау технологиясы көп жағдайда Х жиіліктер диапазонының БФАТ модулдерін жасау технологиясын қайталайды. Сонымен қатар, модульдердің жалпы ұзындығының ұлғаюына байланысты технологиялық операциялар анықталды, оларды орындау сапасына жоғары талаптар қолданылды. Бұл жалпы негізде платалардың тегіс болуына, олардың жалтыратылуына, тақталарды дәнекерлеуге және дәнекерленген негіздердің жалпы өлшемдеріне, жалпы негіздердегі күшейткіштердің металл-керамикалық корпустарының күйдірілу сапасына және жалпы өлшемдердің сақталуына, көп қабатты керамикалық тақталардың байланыстыру сапасына қойылатын талаптар. 2-кестеде жиілік диапазонындағы Ku екі жиілік литерінің қабылдағыш-таратқыш модульдерінің негізгі параметрлері берілген.
Кесте 2 - ҚТМ БФАТ Ku жиілік диапазонындағы негізгі параметрлері
Параметрлері
1 литер
2 литер
1
ПРДПРМ
Қабылдаушы канал
Жіберуші канал
Қабылдаушы канал
Жіберуші канал
2
Шу коэффициенті
3,5 дБ
-
3,5 дБ
-
3
Күшейту коэффициенті
25 дБ
30 дБ
25 дБ
30 дБ
4
Шығыс импульсті күш
-
5 Вт
-
0,3 Вт
5
ПРМ аттенюатор разрядтар саны
5
-
5
-
6
ПРДПРМ фаза ауысу разрядтар саны
6
6
6
6
7
Ұзындық
113,3
84
Осы модульдерді одан әрі жетілдіру қуатты күшейткіштер үшін қуатты GaN транзисторлары мен МИС-ды (кезең-кезеңімен, пайда болуына қарай), диаграмма құрушы тізбектерде көпфункционалды МИС-ды, АЖЖ және төмен жиілікті шынжырларға арналған қысқыш контактілерді, көп қабатты платалардың конструкциясы мен технологиясының дамуын, габариттерді азайтуды қолдану бағытында жүре алады [16, 17].
2.2 Белсенді фазаланған антенналық тордың сандық қабылдау-беру модулі
Антенналық жүйелер саласындағы әлемдік зерттеулердің негізгі бағыты олардың көп функциялылығын қамтамасыз ету жолдарын іздеу болып табылады. Мысалы, бір радиожүйе жылжымалы тасығыштың бортында радиобайланыс функциясын іске асырады және радиолокация міндеттерін орындайды, қажет болған жағдайда ол радио қарсы әрекет жүйесі ретінде жұмыс істей бастайды және өзінің тасымалдаушысының жасырын болуын қамтамасыз етеді. Сәуле шығару бетінің синтезіне жаңа көзқарас конформды антенналық торлар негізінде интеллектуалды-антенналық жүйелердің жаңа буынын құруға мүмкіндік береді.
Қазақстанда қару-жарақ пен әскери техниканы дамытудың мақсатты бағдарламасы бар, оған сәйкес үлгілік ПТМ-дан тұратын белсенді фазаланған антенна торлары (БФАТ) түрінде түрлі антенналарды салу болжануда. Типтік ПТМ әртүрлі мақсаттағы антенна жүйелерінде қолдану үшін біріздендіру көзделеді.
Бірқатар шет елдерде конформалық антенналардың теориясы мен техникасын қарқынды әзірлеу жүріп жатыр. Мұндай жүйелердің негізі цифрлық диаграмма-түзілу принципін пайдаланатын БФАТ - цифрлық антенналық тор (САТ) [18, 19]. Жасырын ұшуды қамтамасыз ететін ұшу аппараттарын (ҰА), оның ішінде ұшқышсыз да жобалау олардың ақпараттық бүркемеленуіне мүмкіндік беретін конформды антенналарды әзірлеуді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Байланыс құралдарына арналған конформалық антенналардың технологиясын әзірлейтін фирмалар, олардың ішінде Ball Aerospace & Technologies Corp., Lockheed Martin Corporation және Northrop Grumman Corporation, осы антенналық торларды радиолокация және радиоэлектрондық күрес саласындағы қолданбалы міндеттерге бейімдеу мүмкіндігін анықтау мақсатында зерттеулер жүргізеді.
САТ құрудың негізі сандық ҚТМ (СҚТМ) болуы мүмкін. Антенна массиві ұсынылатын патенттер белгілі, оның құрамына әрбір цифрлық таратқыш модулінің құрамына тікелей цифрлық жиілік торының синтезаторы (ЖТС) кіреді [20, 21]. Мұндай жүйелердің қабылдау жолының кемшілігі - жұмыс жиілігін төмендету қажеттілігі, бұл динамикалық диапазонның төмендеуіне және шу деңгейінің жоғарылауына әкеледі. Сонымен қатар, тікелей цифрлық ЖТС шығысындағы сигналдағы фазалық шу деңгейі доплер радиоларының талаптарына сәйкес келмейді, яғни көп функционалдылық орындалмайды.
Соңғы жылдары бағдарламалық-реконструкцияланатын архитектураның (software-defined radio) принципін БФАТ-да пайдалану туралы басылымдар пайда болды [22, 23]. Мұндай жүйелердің жетіспеушілігі орталық есептеуіштің жылдамдығына жоғары талаптар болып табылады. Мұндай тез әрекетті жүзеге асырудың мүмкін еместігі БФАТ бағыттылық диаграммасының параметрлерінің өзгеру жылдамдығының төмендігіне және соның салдарынан барлық радиожүйенің міндеттерін орындамауына әкеп соғады.
Мәселені бағыттылық диаграммасының сандық қалыптасуына қателерді енгізетін АЖЖ сигналының ажырауы жоқ САТ құрылымын пайдалана отырып шешуге болады. Жиілікті фазалық автоподстройкасының (ЖФАП) сандық сақинасы бар ЖТС әрбір қабылдау-беру модулінің құрамына кіреді және тактілік импульстің бірыңғай генераторымен синхрондалады.
Микроконтроллердің қабылдау-беру модулінің құрамына қосу нақты уақытта бір-біріне тәуелсіз зияткерлік жүйе элементтерінің шығу сигналының параметрлерін өзгертуге мүмкіндік береді. Сигналды өңдеу мен қалыптастырудың бөлінген жүйесінің болуы орталық есептеуішке қойылатын талаптарды төмендетуге және болашақта жүйенің жылдам әрекет етуін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді. Мұндай СҚТМ барлық радиожүйенің сипаттамаларының икемді өзгеруін қамтамасыз етеді және САТ бағыттылық диаграммасын қалыптастыру дәлдігі мен жылдамдығын арттырады. Цифрлық диаграмма құру принциптерін бағдарламалық-қайта жаңғыртылатын архитектурамен біріктіру интеграцияның жоғары дәрежесімен және дәлдік сипаттамаларымен жақсартылған құрылғылардың жаңа класын жасауға мүмкіндік береді. Шетелде ұқсас зерттеулер бойынша деректер олардың өзектілігіне байланысты аз болып табылады.
Дәстүрлі БФАТ - ҚТМ негізі, оның оңайлатылған схемасы 22 суретте бейнеленген. Модуль сәулелендіргіштен және екі таратқыш және қабылдағыш арналардан тұрады. Арналар арасындағы айырым циркуляторды қамтамасыз етеді. Таратқыш арнада шығыста орташа шығыс қуатын 8-15 Вт қамтамасыз ететін АЖЖ-диапазон қуатының жартылай өткізгіштік күшейткіші тұр. Осы диапазондағы қуат бойынша күшейту коэффициенті KP=30 дБ (шамамен 3 каскад), күшейткіштің 25% ПӘК кезінде құрауы мүмкін, онда ҚТМ кірісіндегі қуат шамамен Рвх=15 мВт құрауы тиіс.
Сурет 22 - БФАТ қабылдау-беру модулінің базалық құрылымы
Модульдің шығыс қуатын басқаратын аттенюатор (ATT), сәйкесінше БФАТ диафрагмасындағы амплитуданың таралуы болмауы мүмкін. Басқарылатын фазалық ауыстырғыш (БФА) тиісті ҚТМ жолында фазалық жылжуды жасайды, сондықтан тордағы фазалардың таралуын бақылайды. 11,250-ден 900-ге дейін Δφ дискретті фазада дискретті БФА және сандық басқару қолданылады.
Қабылдағыш арнаның кіре берісінде қорғаныс құрылғысы және аз шуыл күшейткіші (АШК) тұр. АШК көлемі 3x2x1,5 мм (Monolithic Microwave Integrated Circuit ICC) микросхеманың негізінде орындалады және 17 дБ-ге теңдей күшейту коэффициенті болуы мүмкін. Қабылдау каналындағы атенюатор және УФВ таратушы каналдағы элементтерге ұқсас және бірдей функцияларды атқарады.
ҚТМ әдетте 160x200 мм (еніxтереңдігі) көлемінде арнайы корпуста орналасқан. Корпустың биіктігі негізінен тарату арнасындағы АЖЖ-күшейткішінің қуатының өлшеміне қатысты анықталатын болады немесе құрастырушы фирманың талаптарына байланысты 10-нан 150 мм дейінгі аралықта (23 сурет) болуы мүмкін [24].
Сурет 23 - Кең жолақты ҚТМ борттық БФАТ
Тордағы ҚТМ-нің жалпы саны бірнеше мыңнан асуы мүмкін болғандықтан, АЖЖ сигналдарды шығарылу жүйесі ҚТМ-ға берілетін каналдардың шығысындағы сәулеленетін сигналды генерациялау және қалыптастыру құрылғысында, ҚТМ қабылдау каналдарының шығысында сигналдарды өңдеу және алу жүйесі өте күрделі, көлемді және модульдердің шығысында амплитуда мен фазалық сипаттамаларының тұрақтылығын қамтамасыз етпейді. Сонымен қатар, модульдерді жинақы орналастыру жағдайында белсенді аспаптардан жылуды бөлу маңызды міндет болып табылады.
Үлкен БФАТ қозудың қарапайым тәсілі іске асырылуы мүмкін − өтпелі типті оптикалық кеңістік жүйесі. Өтпелі антенналық тор тек қана шығарғыштары ғана емес сонымен қоса кіріс сәулелендіргіштері бар, олардың арасында ҚТМ орналасады. Кіріс сәулеленгіштері рупор антенналарымен − бағыттылықтың диаграммаларын (БД) әр түрлісін қалыптастыруға арналған тор секцияларының саны бойынша сәулеленеді. Мұндай тарату жүйесі кең жолақты болып табылады. Алайда, бұл жағдайда ағасы бір мезгілде қабылдау мен беруге жұмыс істей алмайды, сонымен қатар жиынтық және айырымдық БД үшін оңтайлы амплитудалық таралуларды қалыптастыру мүмкін емес болады.
БФАТ функционалдылығының жоғарылауының басты беталысының бірі сандық диаграмма құруды (СДҚ) пайдалану болып табылады [25]. Цифрлық диаграмманың мәні антенналық тордың бағыттылық диаграммасы (БН) аналогтық құрылғылардан (фаза айналғыштардан) емес, сандық, мысалы, квадраттық модуляторлардан немесе әрбір ҚТМ құрамына кіретін цифрлық кідіріс сызықтарынан құралады. Модулятор арнаға қосымша, цифрлық тәсілмен басқарылатын немесе бағдарламаланатын, дискретті фазалық ығысуды енгізеді, торда қажетті амплитудалық-фазалық бөлуді (АФБ) жасайды немесе оны түзетеді.
САТ құрылымы СҚТМ-дан құралады, ҚТМ-нің аналогтық БФАТ-тан айырмашылығы оның басты функциясы - торлардың қабылдау бөлігінен ерте кезеңде аналогтық сигналды цифрлық сигналдарға түрлендіру, және керісінше цифрлық сигналды тарату бөлігінен аналогтық сигналға түрлендіру. САТ-да күрделі сканерлеу жүйесінің орнына ең болмағанда бір жазықтықта көп сәулелі жұмыс режимін пайдаланған жөн. Бұл СҚТМ-ның басты артықшылығы - аса төмен жиілікті, цифрлық сигналдың кіруіне тасымалдаушы жиілік сигналын тарату жүйесінен кіретін АЖЖ кіруді ауыстыру; дәстүрлі фаза қайтарғыштарды БД қалыптастырудың цифрлық әдістерімен құрылғылармен ауыстыру, жүйенің жұмысына амплитудалық және фазалық қателерді қосатын жиілікті төмендету процедурасының болмауы, сигналдың тікелей көтергіш жиіліктегі аналогтық-цифрлық түрлендірілуін жүзеге асыру (сурет 24).
Сурет 24 - Сандық ҚТМ
СДҚ техникасында аналогты-сандық түрлендіргіштерді (АСТ) қолдану туралы айта кету керек. Мұндай жүйелердің негізгі ерекшелігі - әрбір модульдің қабылдағыш және таратқыш арнасында АСТ қолдану. Сонымен қатар, жиілікті түрлендіру, сигналдарды анықтау операциялары алынып тасталады және осылайша энергетикалық шығындар азаяды, қабылдау жүйесінің сезімталдығы артады және модульдің конструкциясы жеңілдетіледі. Қазіргі заманғы жүйелерде сандық диаграмма құру мәселелерін табысты шешетін өндірушілер арасында ең алдымен, сигналдық процессорлардың, АСТ және ЦАП ірі жеткізушілері - Analog Devices, Texas Instruments және Atmel фирмаларын атап өту қажет. АСТ шығысынан алынатын сигналдар жиынтықталады және сигналдық процессормен өңделеді. Осылайша, жаңа технологиялар кең таралған және қымбат емес элементтік базаға іске асырылады.
АСТ технологиясының қазіргі деңгейі секундына 40 Гигаваборкаға дейінгі жылдамдықпен сигналдарды аналог-цифрлық түрлендіруді жүргізуге мүмкіндік береді - бұл 8 - 10 разрядтық ажыратымдылығы бар коммерциялық қол жетімді АСТ, сонымен қатар кіріс аналогтық сигналдардың диапазоны 13 ГГц-ке дейін құрайды [26].
Одан әрі өңдеу әртүрлі болуы мүмкін. Фазалық ығысулардың сәуле шығарғыштарын сандық ретпен енгізу тәсілі кванттаудың бір сәттеріне сәйкес келетін алынатын мәндерді қосу (Фурье-ДПФ дискретті басымдылығы немесе Фурье-БПФ тез түрлендіру) кең таралған. Адаптивті коэффициенттерді есептеу және нақты уақыт ауқымында ҚТ қалыптастыру цифрлық сигналдық процессорларды (DSP) қамтамасыз етуі тиіс.
Салмағы мен өлшемі параметрлері, жарық диодты жүйелердің энергетикалық және электрлік сипаттамаларының СДҚ жүйелеріне әртүрлі жиілік диапазондары, шығу қуаты деңгейлері, қабылдау жолына қойылатын жоғары талаптар және т.б. үшін CҚТМ-нің оңтайлы құрылымын іздеуді қажет етеді. Мұның бәрі модульдің бағдарламалық жасақтамасын қайта конфигурациялау принципін қолдана отырып жүзеге асырылады, оның функциялары мен сипаттамаларын өзгерту тек бағдарламалық әдістермен жүзеге асырылады, ал микротолқын бөлігі өзгеріссіз қалады. Мұндай СҚТМ құрылымды жүзеге асырудың мысалы 25 суретте көрсетілген, мұнда өзара әрекеттесу және оның сандық бөлігін басқару принципі толығырақ көрсетілген.
Сандық және АЖЖ бөліп тарату және қабылдау трактісіне қойылатын талаптар СҚТМ әртүрлі, сондықтан оларды арнайы мақсатта әртүрлі баспа платаларына орналастырады. АЖЖ бөліктерін экрандау электромагниттік толқындардың сандық басқару сигналдарына тиімсіз әсерін азайтуға мүмкіндік береді. Қабылдау және тарату жолдарының оқшаулануы толқындық немесе баспалық жасалған циркулятордың көмегімен жүзеге асырылады. Циркулятордың шығысында модульді антенна эмитенті немесе сәйкес жүктеме қамтамасыз ететін негізгі тізбек бар. Синхрондау сигналдарын тарату үшін СҚТМ тақтасында сағат бөлгіш орналасқан, ол эталондық сигналды қабылдау және беру жолдарына бөледі.
Модуль параметрлерін басқару орнатылған 8 биттік немесе 16 биттік микроконтроллердің (МК) көмегімен жүзеге асырылады. Ол әмбебап сериялық SPI-интерфейс арқылы сандық құрылғылармен байланысты.
Сурет 25 - Бағдарламалық-реконструкцияланатын сәулетті іске асыру СҚТМ
МК модульдің барлық құрамдас бөліктері, оның ішінде, шығысындағы процесті өзгерту жиілігінде басқарады. Мысалы, МК ішкі тұрақты SRAM-жадындағы СҚТМ әрбір жиіліктік литері әрбір модульдің сандық бөлігінде орналасқан ЖТС бөлудің бүтін және бөлшек коэффициентінің мәндеріне, сондай-ақ нақты жиіліктегі оның шығу қуатын анықтайтын ЖТС шығыстық тогының мәніне сәйкес келеді, бұл таратқыш трактінің АЖХ біркелкі еместігін түзеуге мүмкіндік береді. Қажет болған жағдайда нақты күйге келтіру орнатылған аттенюатордың көмегімен ЖТС шығыс қуатын реттеуге болады. МК жадындағы әрбір жиілікке түзету амплитудасының және шығу сигналының фазасының мәндері сәйкес келеді. Қазіргі заманғы МК жады бірнеше жүздеген жиілік мәндерін сақтауға мүмкіндік береді. Тұрақты есте сақтау құрылғысының СҚТМ құрамына қосылуы сақталатын ақпараттың көлемін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді.
Қабылдағыш трактідегі АСТ параметрлерін басқару бөлігінде контроллер оның дифференциалды кірістерінде тұрақты жылжу деңгейін өзгертуге және диттерингтің ішкі схемасын қосуғаөшіруге мүмкіндік береді.
КБӨО-ның цифрлық құрылғылары қоректендіруді бағдарламалық ажырату мүмкіндігіне ие болады, оның барысында ішкі жады регистрлерінің барлық ағымдағы мәндері сақталады. Шағын ток тұтыну режимін қосу POWER контактісінде жоғары деңгей бойынша МК көмегімен жүзеге асырылады. Бұл режимде ток тұтыну әдетте 100-200 мА аспайды.
МК-ның маңызды міндеті MSC-ті іске қосу және оның құрамдас бөліктерін құрайтын параметрлерді басқару процедурасын жүргізу, содан кейін орталық компьютерге (сандық компьютер) модульдің ағымдағы жағдайы туралы түбіртек беру болып саналады [27].
ККМ-нің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3
1
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЛЕР. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
4
1.1
Басқару үшін микроконтроллерлер ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
9
1.2
Микроконтроллерлерді қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
11
2
БФАТ Х-ДИАПАЗОННЫҢ ПЕРСПЕКТИВТІ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ҚАБЫЛДАҒЫШ-ТАРАТҚЫШ МОДУЛІ ЖӘНЕ ОНЫҢ ПАРАМЕТРЛЕРІН ӨЛШЕУ ӘДІСТЕМЕСІ ... ... ... ... .
15
2.1
Жиілік диапазонындағы БФАТ Ku қабылдағыш-таратқыш модульдері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
20
2.2
Белсенді фазаланған антенналық тордың сандық қабылдау-беру модулі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
23
2.3
БФАР қабылдағыш-таратқыш модулін іске асыру ерекшеліктері ... ... .
29
3
ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
37
3.1
Объектінің сипаттамасы және функционалдық ерекшелігі ... ... ... ... ...
37
3.2
Микроконтроллер ресурстарының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
38
3.3
Құрылғы алгоритмдерін әзірлеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
40
3.4
Инфрақызыл қабылдағыш негізіндегі температуралық датчик ... ... ... ..
45
3.5
Элементтік базаны және принциптік схеманың жұмысын таңдау ... ... .
48
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
51
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ..
52
Қосымша А ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
55
Қосымша Б ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
56
Қосымша Г ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
57
КІРІСПЕ
Электроника дамуының қазіргі кезеңі жұмыс алгоритмінің байқаусызда өзгеруіне жол бермейтін, бір қатаң берілген схемаға байланысты жекелеген дискретті элементтерде емес, микропроцессорларды немесе микроконтроллерлерді пайдаланатын цифрлық құрылғылардың кең таралуымен сипатталады. Мұндай құрылғылар нақты міндет немесе міндеттер класы бойынша жобаланатын аппараттық бөлігі (схемасы) және құрылғының мінез-құлқын басқаратын бағдарламалық бөлігі болады, бұл ретте бағдарламаны өзгерту жеңілдігі схеманы қозғамай, құрылғыны басқаратын алгоритмдерді өзгертуге мүмкіндік береді. Қазіргі әлемде тақырыптың өзектілігі маңызды: құрылғылардың (автомобильден ойыншыққа дейін) электронды тораптарының басым көпшілігінде микроконтроллерлер қолданылады.
Микроконтроллерлер микропроцессорлық электрониканың ең бұқаралық өкілдері болып табылады. Бір корпуста микросхеманы интеграциялай отырып, жоғары өнімді процессор, жедел және тұрақты жады, сондай-ақ перифериялық құрылғылар жиынтығы, микроконтроллерлер ең аз шығынмен әр түрлі объектілер мен процестерді басқару жүйелерінің кең номенклатурасын іске асыруға мүмкіндік береді.
Микроконтроллерлердің ақпаратын енгізушығаруға арналған құрылымдық ұйым, командалар мен аппараттық құралдар бағдарламалық қамтамасыздандыру мәліметтерді өңдеу мәселелерін шешуге емес, құрылғылардағы, құрылғылардағы және автоматтандыру жүйелеріндегі басқару және реттеу мәселелерін шешуге жақсы келеді. Микроконтроллер классикалық электронды - есептеу машиналары болып табылмайды, өйткені бағдарлама мен деректер жадының физикалық және логикалық бөлінуі жұмыс кезінде микроконтроллердің қолданбалы бағдарламаларын түрлендіру немесе ауыстыру (қайта жүктеу) мүмкіндігін болдырмайды, бұл оларды деректерді өңдеудің әмбебап құралдары ретінде пайдалануды қиындатады.
Сондықтан микроконтроллерлер өнеркәсіптік автоматикада, бақылау өлшеу техникасында, байланыс аппаратурасында, тұрмыстық техникада және адам қызметінің басқа да көптеген салаларында кеңінен қолданылады.
Жұмыстың мақсаты - қабылдағыш-таратқыш модульдерінің параметрлерін басқару және өлшеуді микроконтроллерлерді қолдана отырып жүзеге асыру.
Зерттеу жұмысының міндеттері:
Қабылдағыш-таратқыш модульдің құрамын зерттеу;
Қабылдағыш-таратқыш модульдің пайдалану ерекшеліктерін қарастыру;
Қабылдағыш-таратқыш модульдерді өлшеуді микроконтроллер қолдана отырып жүзеге асыру.
1 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЛЕР. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
Микроконтроллерлер сыртқы шағын микросхемаларға ұқсайды. Олардың кристалында өзіндік микрокомпьютер құрастырылды. Бұл дегеніміз, корпус құрылғысына бір-бірімен, сыртқы құрылғыларымен өзара әрекеттесетін жад, процессор және перифериялық құрылғылар жөнделеді және корпус ішінде сақталатын ерекше микробағдарламаның басшылығымен жұмыс істейді.
Микроконтроллерлер әртүрлі электронды аспаптар мен құрылғыларды басқаруға арналған. Олар тек компьютерлерде ғана емес, әртүрлі тұрмыстық техникаларда, өндірістегі роботтарда, теледидарда, қорғаныс өнеркәсібінде қолданылады. Микроконтроллер түрлі электрониканы басқаруды жүзеге асыратын әмбебап құрал болып табылады. Бұл ретте басқарушы командалардың алгоритмін адам оған дербес салады және жағдайға байланысты оны кез келген уақытта өзгерте алады [1].
Қазіргі таңда екі ондаған компания шығаратын i8051-мен үйлесімді микроконтроллерлердің 200-ден астам модификациясы және басқа типтегі микроконтроллерлердің көп түрі бар. Құрастырушылар арасында кең қолданысқа ие 8-битті Microchip Technology фирмасының PIC микроконтроллерлер және Atmel фирмасының AVR микроконтроллері, 16-битті TI фирмасының MSP430 микроконтроллері, сондай-ақ 32-битті ARM сәулетінің ARM Limited фирмасы әзірлейтін және лицензиялы түрде басқа фирмаларға сататын микроконтроллері пайдаланылады.
Сурет 1 - 16-биттік 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Сурет 2 - DIP корпусындағы Atmel AVR ATmega8 микроконтроллері
Сурет 3 - AVR микроконтроллерінің құрылғысы
Микроконтроллер параметрлердің көп санымен сипатталады, өйткені ол бір мезгілде күрделі бағдарламалық-басқарылатын құрылғы және электрондық аспап (микросхемалар) болып табылады. Микроконтроллердің атауындағы микро префиксі микроэлектронды технология бойынша орындалатынын білдіреді.
Жұмыс барысында микроконтроллер командаларды жадыдан немесе енгізу портынан оқиды және оларды орындайды. Әрбір команда дегеніміз, микроконтроллер командаларының жүйесімен анықталады. Командалар жүйесі микроконтроллер архитектурасында салынған және команда кодын орындау белгілі бір микрооперациялар микросхемасының ішкі элементтерімен көрсетіледі [2].
Микроконтроллер корпусының ішінде оның барлық құрылымының негізгі элементтері бар. Мұндай құрылғылардың үш класы бар: 8, 16 және 32 биттік. Оның ішінде 8-разрядты модельдер өнімділігі аз. Ол объектілерді басқарудың қарапайым міндеттерін шешу үшін жеткілікті. 16-разрядты микроконтроллерлер - жаңғыртылған 8-разрядты. Олар командалардың кеңейтілген жүйесіне ие. 32-разрядты құрылғылар жалпы мақсаттағы жоғары тиімді процессорды қамтиды. Олар күрделі нысандарды басқару үшін қолданылады.
Сурет 4 - Микроконтроллер құрамы
Арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ) - арифметикалық және логикалық операцияларды орындауға арналған, АЛҚ жалпы мақсаттағы тіркелімдермен жиынтығында процессор функциясын орындайды.
Жедел-есте сақтау құрылғысы (ЖЕҚ) - микроконтроллердің жұмысы кезінде деректерді уақытша сақтауға арналған.
Бағдарлама жадысы - қайта бағдарламаланатын тұрақты есте сақтау құрылғысы түрінде орындалған және микроконтроллерді басқару микробағдарламасын жазуға арналған.
Деректер жады кейбір микроконтроллерде барлық мүмкін болатын константаларды, функциялардың кестелік мәнін және т. б. сақтау үшін жады ретінде қолданылады.
Микроконтроллердің құрамында басқа да қосалқы элементтер болуы мүмкін.
Аналогты компаратор - оның кірісінде екі аналогты сигналдарды салыстыруға арналған.
Микроконтроллердегі таймерлер микроконтроллердің жұмысында әртүрлі уақыт аралықтарын орнату және әртүрлі кідірістерді жүзеге асыру үшін қолданылады.
Аналогты-сандық түрлендіргіш (АСТ) - аналогты сигналды микроконтроллерге енгізу үшін қажет және оның функциясы аналогты сигналды цифрлық сигналға аудару.
Сандық-аналогтық түрлендіргіш (САТ) кері функцияны орындайды, яғни сандық түрдегі сигнал аналогтық түрге түрлендіреді.
Арифметикалық-логикалық құрылғы логикалық және арифметикалық операцияларды жасау үшін қызмет етеді, процессордың жұмысын жалпы мақсаттағы тіркелімдермен бірге орындайды.
Жедел есте сақтау құрылғысы микроконтроллердің жұмыс істеуі кезінде ақпаратты уақытша сақтау үшін қызмет етеді.
Бағдарлама жады негізгі құрылымдық элементтердің бірі болып табылады. Ол қайта бағдарламалау мүмкіндігімен тұрақты есте сақтау құрылғысына негізделген және микроконтроллердің жұмысын басқару микробағдарламасын сақтау үшін қызмет етеді. Ол тігіс деп аталады. Оны құрылғыны әзірлеуші өзі жазады. Бастапқыда бағдарлама жадында зауыт ештеңе салмайды және ешқандай деректер жоқ. Құрылғы жасаушы программатордың көмегімен тігісті ішке жазады.
Деректер жады әр түрлі тұрақты шамаларды, кестелік деректерді және т.б. жазу үшін кейбір микроконтроллерлердің үлгілерінде қолданылады.
Сыртқы құрылғылармен байланыс үшін енгізу-шығару порттары бар. Олар сондай-ақ сыртқы жадты, түрлі датчиктерді, атқарушы құрылғыларды, жарық диодты, индикаторларды қосу үшін қолданылады. Енгізу-шығару порттарының интерфейстері әртүрлі: параллель, тізбекті, USB шығыстармен жабдықталған, WI FI. Бұл әр түрлі басқару салалары үшін микроконтроллерлерді қолдану мүмкіндігін кеңейтеді [3].
Аналогты-сандық түрлендіргіш микроконтроллердің кіруіне Аналогты сигнал енгізу үшін қажет. Оның міндеті аналогтық түрден цифрлық түрге түрлендіру болып табылады.
Аналогтық компаратор кіруде аналогтық түрдің екі сигналын салыстыру үшін қызмет етеді.
Таймерлер диапазондарды орнату және микроконтроллердің жұмыс істеу уақытын кешіктіру үшін қолданылады.
Сандық-аналогтық түрлендіргіш сандық сигналдан аналогтық сигналға түрлендіру бойынша кері жұмысты орындайды.
Микроконтроллердің әрекеті микро бағдарламамен бірге жұмыс істейтін синхрондау блогының көмегімен тактілі импульстермен генератормен синхрондалады. Тактілік импульстер генераторы ішкі және сыртқы болуы мүмкін, яғни тактілік импульстер бөгде құрылғыдан берілуі мүмкін.
Нәтижесінде микроконтроллерлерді электрондық конструкторлар деп атауға болады. Олардың негізінде кез келген басқару құрылғысын жасауға болады. Бағдарламалар арқылы ішкі элементтерді қосуға немесе ажыратуға, осы элементтердің өзіндік әрекет тәртібін орнатуға болады.
Оларды пайдалану аясы үнемі кеңеюде. Микроконтроллерлер әр түрлі механизмдер мен құрылғыларда қолданылады. Оларды қолданудың негізгі салалары:
Авиациялық өнеркәсіп.
Робототехника.
Өнеркәсіптік жабдықтар.
Теміржол көлігі.
Автокөліктер.
Электронды балалар ойыншықтары.
Автоматты шлагбаумдар.
Бағдаршамдар.
Компьютерлік техника.
Автомагнитолдар.
Электрондық музыкалық аспаптар.
Байланыс құралдары.
Лифт басқару жүйелері.
Медициналық жабдықтар.
Тұрмыстық техника.
Мысалы, автокөлік электроникасында микроконтроллерлерді пайдалануды қарастыруға болады. Кейбір Пежо автокөліктерінде 27 түрлі микроконтроллер орнатылған. БМВ элиталық үлгілерінде осындай 60-тан астам құрылғы қолданылады. Олар аспаның қаттылығын, отынды бүрку, жарықтандыру аспаптарының, шыны тазалағыштардың, шыны көтергіштердің және басқа да механизмдердің жұмысын бақылайды.
Цифрлық жүйені әзірлеу кезінде микроконтроллердің дұрыс моделін жасау қажет. Негізгі мақсат - барлық жүйенің жалпы құнын азайту үшін арзан контроллерді таңдау. Алайда, ол жүйенің ерекшелігіне, сенімділік талаптарына, өнімділікке және пайдалану шарттарына сәйкес келуі қажет.
Микроконтроллерді таңдаудың негізгі факторлары:
Қолданбалы жүйемен жұмыс істеу қабілеті. Бұл жүйені бір кристалды микроконтроллерде немесе арнайы микросхемада жүзеге асыру мүмкіндігі.
Микроконтроллерде порттардың, контактілердің қажетті санының болуы, өйткені олар жетіспеген жағдайда ол тапсырманы орындауға қабілетсіз, ал егер артық порттар болса, онда құны жоғары болады.
Қажетті перифериялық құрылғылар: әртүрлі түрлендіргіштер, байланыс интерфейстері.
Құны артатын жұмыс үшін қажет емес басқа қосалқы құрылғылардың болмауы.
Контроллер ядросы қажетті өнімділікті қамтамасыз ете алатындығын: белгілі бір қолданбалы бағдарламалау тілінде жүйе сұрауларын өңдеуге мүмкіндік беретін есептеу қуаты.
Бағдарлама бюджетінде қымбат тұратын микроконтроллерді қолдану үшін жеткілікті қаржы мөлшерінің болуы. Егер ол бағаға сәйкес келмесе, онда қалған сұрақтар мағынасы жоқ және әзірлеуші басқа микроконтроллерді іздеуі тиіс [4].
Қол жетімділік. Бұл факторға келесі тармақтар кіреді:
1. Қажетті саны.
2. Қазіргі уақытта шығарылады ма?
3. Әзірлеушінің қолдауының болуы.
4. Бағдарламалау тілдерінің, жерішілік эмуляторлардың, жөндеу құралдарының және компиляторлардың болуы.
Ақпараттық қолдау:
1. Кәсіби мамандармен байланыс.
2. Қызметкерлердің біліктілігі және олардың көмек көрсетуге және проблемаларды шешуге қызығушылығы.
3. Бағдарлама мәтіндерінің мысалдары.
4. Бағдарламалар мен тегін ассемблерлер.
5. Қате әрекеттер туралы хабарламалар.
6. Пайдалану мысалдары.
Дайындаушы зауыттың сенімділігі. Бұл факторға кіреді:
1. Осы тақырып бойынша жұмыс кезеңі.
2. Бұйымдардың сапасы, жасаудың сенімділігі.
3. Ғылыми әзірлемелермен расталған кәсіби құзыреттілік.
1.1 Басқару үшін микроконтроллерлер
Қазіргі уақытта автокөлік жабдықтары нарығында көптеген қоректену құрылғылары, барлық мүмкін іске қосу-зарядтау станциялары (ҚЗС) және т. б. бар. Автосервис шығындарын азайту үшін шығу параметрлерін басқару мүмкіндігі болуы тиіс әмбебап зарядтау құрылғыларын сатып алуға ұмтылады. Бұл мәселені шешу үшін көп жағдайда микроконтроллерлер (МК) қолданылады.
Бірінші микроконтроллерлер нарыққа шыққаннан кейін олардың дамуы екі басты бағыт бойынша жүрді. Бір жағынан, бұл үлкен жады қоры, үлкен мөлшері бар және күрделі командалар жиынтығын пайдаланатын қуатты микросхемалар. Екінші жағынан, бұл шағын өлшемдері бар және күрделі емес перифериялық құрылғыларды басқару мүмкіндігі бар микроконтроллерлер. Елеулі айырмашылық бағасында. Core процессорлары сияқты қуатты микросхемалар бірнеше жүз доллар тұрады,ал бір кристалды МК 1- ден 20 долларға дейін тұрады.
Микроконтроллерлер әлемінде революция болып Atmel компаниясы AVR прогрессивті ядросында чиптер желісін шығарған 1996 жыл саналады. Олардың басты ерекшелігі МК жылдамдығы мен тиімді бағасында.
AVR микроконтроллерлері бірнеше тармақтарға бөлінеді: Tiny AVR; Mega AVR; Mega AVR (арнайы сериясы) [5].
Бірінші топтың микроконтроллерлеріне бюджеттік шешімдерге жатады. Олардың аз Flash жады мен аз қорытындылары бар. Негізінен әртүрлі датчиктерді басқару үшін қолданылады.
Mega микроконтроллерлері үлкен мөлшерде қорытындыларға ие, бұл дамыған жүйелі перифериялық құрылғыларды қосуға мүмкіндік береді. Олар қосымша деректер жады мен бағдарлама жадына ие. Оларды күрделі өлшеу аспаптары мен перифериялық құрылғылардың бақылауларында қолданылады. Ішкі жүйелік бағдарламалау мүмкіндіктері бар.
Өзінің нарыққа шығу кезінде 32 разрядтық микроконтроллерлер салыстырмалы түрде жоғары бағаға ие болды. Бірақ бүгінгі күні бәрі өзгерді. Бүгінгі күні 8-ші және 32-ші разрядтық МК арасындағы елеулі айырмашылық перифериялық құрылғыларды қамтитын дайын жүйенің соңғы құны болып табылады. Әдетте, 32 биттік микроконтроллер 8 биттік құрылғыға қарағанда осы құрылғылардың көп санын қамтиды.
Мысалы, Silicon Labs компаниясының EFM32ZG микроконтроллерін қарастырайық (сурет 5).
Сурет 5 - Silicon Labs компаниясының EFM32ZG микроконтроллері
Негізгі сипаттамалары:
ARM процессор платформасының Cortex-М0 ядросы
24 МГц дейін жоғары өнімді 32-разрядты процессор
Үзу контроллері
32КБ Flash
4 КБ ЖҚБ
37 жалпы мақсатты қорытындыға дейін
16 асинхронды сыртқы үзіліске дейін
2 x 16 биттік таймер есептеуіш
2x3 PWM арналары
1 x 24 биттік нақты уақыт есептегіші
1 x 16 биттік импульс есептегіші
Бөлінген RC-генераторы бар таймер
UART интерфейсі интерфейс
UART бойынша төмен энергия тұтыну
Біріктірілген температура сенсоры
0,05 және 64 МКА арасындағы диапазондағы ток
1x Аналогты Компаратор
Қуат Кернеуінің Компараторы
2-түйісу тізбекті интерфейс жөндеу кірісі
Температура диапазоны -40-85ºC дейін
Электр қорегі 1,98 дейін 3,8В дейін.
Бұл микросхема 32 биттік микроконтроллер туралы жақсы түсінік береді. Бақылау және басқару жүйесі сегментіндегі тиімді шешім 32 разрядтық микроконтроллерді пайдалану болып табылады, өйткені олар төмен құны мен жоғары функционалды жиынтыққа ие. 8 және 16 разрядтық жүйелерді пайдалану энергия тұтынуға қатаң талаптар кезінде ғана оңтайлы бар [6].
1.2 Микроконтроллерлерді қолдану
Tiny тобының AVR шағын микроконтроллерлері келесі құрылғыларды құру үшін қолданылады:
электронды ойыншықтар;
автокөлік өнеркәсібінде түрлі датчиктер;
түтін және жалын детекторлары, температура датчиктері, түрлі шамаларды өлшегіштер;
арзан зарядтау құрылғылары, кернеу және ток көрсеткіштері;
әртүрлі тұрмыстық және өнеркәсіптік техника үшін басқару пульттері;
басқа қымбат емес және шағын электрондық құрылғылар.
Сурет 6 - Tiny тобының AVR микроконтроллерлері
Mega және xmega топтарының 32-bit AVR чиптері күрделі құрылғыларда қолданылады:
робототехника;
спутниктік навигациялық жүйелер;
бағдарламалы функционалдық разрядтық-зарядтау құрылғылары;
күрделі қашықтан басқару жүйелері;
желілік құрылғылар;
деректерді беру және өңдеу үшін жылдам әрекет ететін жүйелер;
күрделі тұрмыстық техника;
тач-скринингтік ақпаратты енгізу және көрсету құрылғылары (Touch-screen);
:: басқа да көп функциялы құрылғылар.
Сурет 7 - Mega және xmega топтарының AVR микроконтроллерлері
Қолдану санаттары бойынша микроконтроллерлерді пайдалану идеялары мен тәсілдерінің аз тізбесін келтіремін:
Бастаушы: жарықдиодты жыпылықтағыш, сүйектің виртуалды ойыны, таймер, пернені басу есептегіші;
Мереке және сыйлық: дыбыстық қобдиша, жыпылықтайтын жұлдыз немесе жүрек, шыршаға арналған гирлянда, түсқағаз;
Жарнама: жарық диодты табло, символдары бар жүгіртпе жол, жарық диодты аппликация;
Робототехника: робот-шаңсорғыш, радио арнасы бойынша басқарылатын робот-ойыншық, робот-сканер құжаттар;
Өлшемдер: жиілік өлшегіш, сигнал генераторы, мультиметр, температура, қысым, жарықтандыру өлшеуіші, қолдан жасалған метеостанция;
Қауіпсіздік: ұялы байланыс арқылы хабарлайтын ақылды сигнал беру, кодтық құлып, есікке қол жеткізуге арналған электрондық кілт, түтін детекторы, су ағатын сигнализатор;
Өндіріс: CNC токарлық станокты басқару модулі, автоматты бақылау және заттарды есепке алу, қазандықты басқару;
Байланыс: жиілік индикаторы, сигнал декодер, радиостанцияны басқару модулі, антеннаның Автоматты бұру құрылғылары;
Энергетика: күн панельдерін бұруды басқару, зарядтау
Бұл бізге микроконтроллерлер беретін мүмкіндіктер мен идеялардың кең ауқымынан кішкене бөлігі ғана [7].
Сурет 8 - Өткізгіштерді бұрап монтаждау технологиясы
Микроконтроллерлердің пайда болуымен барлығы әлдеқайда ыңғайлы және оңай болды. Тек бір ғана ATtiny13 чипінің негізінде, мысалы, бірнеше ондаған, мүмкін жүздеген микросхемалар қажет болатын құрылғыны жинауға болады.
Қазіргі уақытта сандық микросхемаларда логиканы жағудың қажеті жоқ - барлық логика үшін микроконтроллер жауап бере алады, енді өзінің барлық күші қажетті тапсырманы шешу үшін осы микроконтроллердің дұрыс байлауына шоғырлана алады, ал әрі қарай микроконтроллерге бағдарлама тігу жазу қалады.
Сонымен қатар, AVR микроконтроллерінде Arduino - электронды конструктор, автоматтандыру мен басқарудың әр түрлі құрылғыларын тез және ыңғайлы әзірлеуге арналған платформа жұмыс істейді. Бұл шешім бағдарлама кешенінен және аппараттық құраушылардан тұрады - құрамдастары бар баспа платалары, олардың орталық және басты рөлі AVR - ATmega328, ATmega168, ATmega2560, ATmega32U4, ATTiny85 микроконтроллерімен (ескі модельдерде - ATmega8, ATmega1280 және басқалар).
Сурет 9 - Arduino негізгі платасы және қосымша модульдер
Бұл шолу өте қысқа, шын мәнінде AVR микроконтроллерлердің қолдану салалары әлдеқайда көп [8]. Бір күні үйде қандай да бір құрылғыны бөлшектей отырып, сіз оның ішінде AVR чип көре аласыз және мұнда табиғаттан тыс ештеңе жоқ, микроконтроллерлер барлық танымал және әр түрлі салаларда кеңінен қолданылады.
2 БФАТ Х-ДИАПАЗОННЫҢ ПЕРСПЕКТИВТІ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ҚАБЫЛДАҒЫШ-ТАРАТҚЫШ МОДУЛІ ЖӘНЕ ОНЫҢ ПАРАМЕТРЛЕРІН ӨЛШЕУ ӘДІСТЕМЕСІ
Қазіргі уақытта радиолокацияда белсенді фазаланған антенна торлары (БФАТ) үлкен танымалдылыққа ие. БФАТ кеңістікті шолудың жаңа әдістерін қолдануға, РЛС мүмкіндігін едәуір кеңейтетін қабылдағыш-таратқыш антеннасының рұқсат ету қабілеті мен әрекет ету қашықтығын арттыруға мүмкіндік береді. БФАТ негізгі элементтері қабылдағыш-таратқыш модульдері (ҚТМ) болып табылады. Осы ҚТМ функционалдығын арттыру әр түрлі міндеттерді орындауға және БФАТ шығыс сипаттамаларын жақсартуды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Ол үшін ҚТМ құрамына функциялардың кең жиынтығы және ең аз габаритті өлшемдері бар тораптар енгізіледі. Бұл жұмыста көп функциялы ҚТМ БФАТ, оның ерекшеліктері және алынған эксперименталды шығу электр сипаттамалары қарастырылады. Әзірленген ҚТМ БФАТ 10 суретте бейнеленген.
Сурет 10 - ҚТМ БФАТ
Модульдің барлық құрамдас элементтері LTCC керамикасында орналасқан. LTСC көп қабаттылығы негіз ішінде аса жоғары жиілікті (АЖЖ) және төмен жиілікті (ТЖ) өткізгіштерді қажетті ажыратуды жүргізуге және сол арқылы модуль ішіндегі кеңістікті едәуір үнемдеуді қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ҚТМ БФАТ құрамында осындай негізді қолдану АЖЖ энергияның аз жоғалуын және өндірістің қымбат емес құнын қамтамасыз етеді, бұл АЖЖ аспаптарын өндіру үшін негізгі артықшылығы болып табылады [9]. LTCC керамикасын таңдау бұл жұмыста ҚТМ ішіндегі орынды едәуір үнемдеумен қатар, сонымен қатар модульдердің беттік-контактілі қосылуын қамтамасыз ету қажеттілігімен де негізделді. Модульдердің беттік контактілі қосылымы (МБКҚ) - байланыс қосқышы арқылы қысымға негізделген қосылу тәсілі, модульдің шығыстық АЖЖ контактісі және одан әрі жұмыс істеу үшін ҚТМ орналасатын бет. МБКҚ 11 суретте көрсетілген.
Сурет 11 - Модульдердің беттік контактілі қосылымы
LTCC ерекшеліктері есебінен АЖЖ және ТЖ байланыс технологияларын LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығаруға және дөңгелек алаңдар түрінде орындауға болады [10]. 12 суретте LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығарылған байланыс алаңдары көрсетілен.
Сурет 12 - LTCC негізінің астыңғы беттік қабатына шығарылған байланыс алаңдары модульдері
Мұндай беттік байланыс алаңшаларын жүзеге асыру байланыс айырғыш арқылы АЖЖ энергиясын беру үшін модульдің беттерімен қосылуын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс кабель модульдерін қосумен байланысты және құрастырудың пайда болатын кемшіліктерін қажетсіз АЖЖ шығындарды азайтуды қамтамасыз етеді. LTCC керамикасы қажетті металл негізде орналасқан, ол қуатты АЖЖ чиптерінен жақсы жылу шығаруды қамтамасыз етеді (PUM, VUM), АЖЖ энергиясын беру үшін байланыс АЖЖ қосқышы қажет. Модульдің негізгі түйіндерін қуатпен қамтамасыз ету және басқару үшін модульдің төмен жиілікті бөлігінде дәл осындай байланыс қосқышы қажет. АЖЖ және ТЖ қосқыштарының түрлері 13 суретте көрсетілген.
Сурет 13 - АЖЖ және ТЖ қосқыштар
АЖЖ және ТЖ қосқыштар деректері модульдің металл негізіндегі іріктемеге салынады және резина тығыздағышпен бекітіледі, ол қосқыштың үлгі ішінде сенімді бекітілуін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. ҚТМ БФАТ шығыс параметрлерін бақылау үшін 14 суретте көрсетілген өлшеуіш түзеткіш әзірленген.
Сурет 14 - ҚТМ БФАТ шығыс параметрлерін бақылауға арналған өлшеу түзеткіш
Түзетуде қолданылатын элементтердің енгізілген өлшенетін түзеткіштегі АЖЖ шығындарды элементтер көмегімен өлшеу үшін 14-15 суреттерде көрсетілген шығындарды өлшеу конструкция жиналды [11].
Сурет 15 - Өлшеуіш қаптамадағы шығындарды өлшеуге арналған конструкция
Барлық конструкцияны және АЖЖ ауысуларының шығындарды есептеу үшін қажетті эксперименталды тексеру нәтижелері 1-кестеге жинақталған көрсетілген.
Кесте 1 - Шығындарды өлшеуге арналған барлық конструкция мен АЖЖ ауысулардың эксперименттік тексеру нәтижелері
№
Атауы
Барлық конструкция
СВЧ ауысулар
1
Максимум S21 (жоғалту), дБ
0,72
0,57
2
Максимум КСВН кіріс
1,26
1,21
3
Максимум КСВН шығыс
1,19
1,20
Эксперименталды тексеру кезінде алынған максималды мәндерді пайдалану қажет болатын есепті жүргізе отырып, КРПГ.433434.054 байламында пайда болатын шығындарды есептеуге болады - АЖЖ қосқыш - КРПГ.433434.054: п. 054-АЖЖ соед -.054 = Побщ - Ппер = 0,72 - 0,57 = 0,15 [дБ]. Нәтижелерін есептеу және эксперименттік тексеру кезеңінен, бұл әзірленген өлшеу түзеткішінде ҚТМ әрбір шығысында 0,15 дБ кем құрайды [12]. Осы бұйымға жиналған автоматтандырылған өлшеу стендінде ҚТМ арқылы әзірленген электр параметрлерін өлшеу жүргізілді. Тарату және қабылдау арналарын өлшеу нәтижелері 16, 17, 18 суреттерде көрсетілген.
Сурет 16 - Жиілік бойынша тарату арнасының шығыс қуаты
Сурет 17 - Жиілікке байланысты бірінші қабылдау арнасын күшейту коэффициенті
Сурет 18 - Жиілікке байланысты екінші қабылдау арнасын күшейту коэффициенті
16-суреттегі шығыс қуатының параметрлерінің мәндері түзетудегі шығындарды ескере отырып көрсетілген [13, 14]. Жұмыс барысында көпфункционалды ҚТМ БФАТ, сондай-ақ оның электр параметрлері қарастырылды. Өлшеуіш стендте құрамына беттік контактілі қосылыстары бар түзету кіретін ҚТМ БФАТ электр параметрлерін өлшеу әдістемесі әзірленді. ҚТМ БФАТ өлшеу кезінде электр параметрлері тұрақты қайталанатындығы әзірлеу кезінде таңдалған шешімдердің дұрыстығын көрсетеді.
2.1 Жиілік диапазонындағы БФАТ Ku қабылдағыш-таратқыш модульдері
Соңғы жылдары отандық АЖЖ электроникасының қарқынды дамып келе жатқан бағыттарының бірі - жылдамдығы жағынан ФАР жүйелерінен ерекшеленетін, белсенді фазалық массивтік антенналарымен (БФAT) жүйелердің бағыты болып табылады, олар көптеген мақсаттарда бір уақытта жұмыс істей алады және режимдерді өзгертеді. Бұл кең қолданылатын кең жолақты монолитті интегралды схемаларды (МИС) өнеркәсіптік шығаруды игергеннен кейін мүмкін болды: аз шу шығаратын және қуатты күшейткіштер, арналарды ауыстырып қосқыштар, ауыстырып қосылатын фаза айналғыштар мен аттенюаторлар, қорғаныс құрылғылары. Нәтижесінде, жиіліктердің х диапазонындағы белсенді ФАР арналған модульдер бірнеше жылдан бері сериялық түрде шығарылады. Сонымен қатар, Ku жиілік диапазонындағы БФАТ үшін модуляцияларда қажеттілік пайда болды. Ku жиілік диапазонындағы екі поддиапазонды қабылдағыш-таратқыш модульдері 19 суретте көрсетілген.
Сурет 19 - Әзірленген қабылдағыш-таратқыш модулінің құрылымдық схемасы
Модульдер бір қабылдау (БҚ) және тарату арнасынан (ТА) тұрады. Оларда бір функциялы монолитті интегралды схемалар қолданылады. 1x2 қосқышы тарату немесе қабылдау арналарын қосады. Одан әрі ТА арнасының құрамында келісілген күшейткіштер мен қуатты күшейткіштер, ТА арнасының шығуының айырымы және ТА арнасының кіруіне арналған 6-разрядты фаза айналғыш және феррит циркуляторы. Бұл жағдайда Х құрылымды циркулятор пайдаланылады, ол дегеніміз қабылдағыштың қорғаныс құрылғысының жүруінен көрініс тапқан қуат келісілген жүктемеде жұтуға мүмкіндік береді. БҚ арнасына мыналар кіреді: пассивті қорғаныс құрылғысы, төмен шу және сәйкес келетін күшейткіштер, 5-разряд күшейткіш және 6-разрядты фазалық ауыстырғыш. Модуль құрамында фаза айналғыштарды, аттенюаторды және ауыстырып қосқышты сандық басқару үшін драйверлер бар. Модуль құрылымдық түрде герметикалық белсенді АЖЖ тораптары, феррит вентильдері мен циркуляторлар, сондай-ақ бірыңғай негізде құрастырылған қосымша поликор платалары болып табылады (сурет 20). Көлемді электронды АЖЖ тізбектерінің тұжырымдамасын жүзеге асыратын және LTCC технологиясын қолдану арқылы жасалған үлкен көп қабатты керамикалық тақталарда диаграмма құрушы рөлді орындайтын МИС жоғарғы қабатта, ал төменгі қабатта МИС драйверлері орнатылады [15]. Шағын бірегейлендірілген көп қабатты керамикалық платада аз шулы және қорғаныс құрылғысы бар МИС орналасқан. Жақсы жылу ағынын қамтамасыз ететін таратушы арналардың жобаланған және шығыс каскадтары металл керамикалық корпустарда жасалынған (сурет 21). АЖЖ сигналдары микротолқынды кіру шығу арқылы беріледі. Басқару және тогы әлсіз қоректену кернеуі үлкен көп қабатты платаның қыш қақпағының контактілі алаңдарына беріледі. Шығыс қуат күшейткішіндегі қуат кернеуі жақын орналасқан түйреуіш арқылы беріледі.
Сурет 20 - Модульдердің сыртқы көрінісі
БФАТ арналған модульдің ені толқынның жұмыс ұзындығымен анықталады. Ені 1-ші литерлер үшін 11 мм-ге тең және 2-ші литерлер үшін 10 мм-ге тең модульдер әзірленген. Кеңдігі бойынша шектеуге байланысты әзірленген модульдер жиіліктердің Х диапазонындағы модулдерге қарағанда компоненттердің тығыз орналасуымен ерекшеленеді. Бұл бірінші кезекте модульдер параметрлерінің тұрақтылығын қамтамасыз ету міндетін қиындатты.
Сурет 21 - Қуатты транзисторлық күшейткіштің металл керамикалық корпусы
Модульді дайындау технологиясында типтік технологиялық процестер қолданылады. Әзірленген модульдерді жасау технологиясы көп жағдайда Х жиіліктер диапазонының БФАТ модулдерін жасау технологиясын қайталайды. Сонымен қатар, модульдердің жалпы ұзындығының ұлғаюына байланысты технологиялық операциялар анықталды, оларды орындау сапасына жоғары талаптар қолданылды. Бұл жалпы негізде платалардың тегіс болуына, олардың жалтыратылуына, тақталарды дәнекерлеуге және дәнекерленген негіздердің жалпы өлшемдеріне, жалпы негіздердегі күшейткіштердің металл-керамикалық корпустарының күйдірілу сапасына және жалпы өлшемдердің сақталуына, көп қабатты керамикалық тақталардың байланыстыру сапасына қойылатын талаптар. 2-кестеде жиілік диапазонындағы Ku екі жиілік литерінің қабылдағыш-таратқыш модульдерінің негізгі параметрлері берілген.
Кесте 2 - ҚТМ БФАТ Ku жиілік диапазонындағы негізгі параметрлері
Параметрлері
1 литер
2 литер
1
ПРДПРМ
Қабылдаушы канал
Жіберуші канал
Қабылдаушы канал
Жіберуші канал
2
Шу коэффициенті
3,5 дБ
-
3,5 дБ
-
3
Күшейту коэффициенті
25 дБ
30 дБ
25 дБ
30 дБ
4
Шығыс импульсті күш
-
5 Вт
-
0,3 Вт
5
ПРМ аттенюатор разрядтар саны
5
-
5
-
6
ПРДПРМ фаза ауысу разрядтар саны
6
6
6
6
7
Ұзындық
113,3
84
Осы модульдерді одан әрі жетілдіру қуатты күшейткіштер үшін қуатты GaN транзисторлары мен МИС-ды (кезең-кезеңімен, пайда болуына қарай), диаграмма құрушы тізбектерде көпфункционалды МИС-ды, АЖЖ және төмен жиілікті шынжырларға арналған қысқыш контактілерді, көп қабатты платалардың конструкциясы мен технологиясының дамуын, габариттерді азайтуды қолдану бағытында жүре алады [16, 17].
2.2 Белсенді фазаланған антенналық тордың сандық қабылдау-беру модулі
Антенналық жүйелер саласындағы әлемдік зерттеулердің негізгі бағыты олардың көп функциялылығын қамтамасыз ету жолдарын іздеу болып табылады. Мысалы, бір радиожүйе жылжымалы тасығыштың бортында радиобайланыс функциясын іске асырады және радиолокация міндеттерін орындайды, қажет болған жағдайда ол радио қарсы әрекет жүйесі ретінде жұмыс істей бастайды және өзінің тасымалдаушысының жасырын болуын қамтамасыз етеді. Сәуле шығару бетінің синтезіне жаңа көзқарас конформды антенналық торлар негізінде интеллектуалды-антенналық жүйелердің жаңа буынын құруға мүмкіндік береді.
Қазақстанда қару-жарақ пен әскери техниканы дамытудың мақсатты бағдарламасы бар, оған сәйкес үлгілік ПТМ-дан тұратын белсенді фазаланған антенна торлары (БФАТ) түрінде түрлі антенналарды салу болжануда. Типтік ПТМ әртүрлі мақсаттағы антенна жүйелерінде қолдану үшін біріздендіру көзделеді.
Бірқатар шет елдерде конформалық антенналардың теориясы мен техникасын қарқынды әзірлеу жүріп жатыр. Мұндай жүйелердің негізі цифрлық диаграмма-түзілу принципін пайдаланатын БФАТ - цифрлық антенналық тор (САТ) [18, 19]. Жасырын ұшуды қамтамасыз ететін ұшу аппараттарын (ҰА), оның ішінде ұшқышсыз да жобалау олардың ақпараттық бүркемеленуіне мүмкіндік беретін конформды антенналарды әзірлеуді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Байланыс құралдарына арналған конформалық антенналардың технологиясын әзірлейтін фирмалар, олардың ішінде Ball Aerospace & Technologies Corp., Lockheed Martin Corporation және Northrop Grumman Corporation, осы антенналық торларды радиолокация және радиоэлектрондық күрес саласындағы қолданбалы міндеттерге бейімдеу мүмкіндігін анықтау мақсатында зерттеулер жүргізеді.
САТ құрудың негізі сандық ҚТМ (СҚТМ) болуы мүмкін. Антенна массиві ұсынылатын патенттер белгілі, оның құрамына әрбір цифрлық таратқыш модулінің құрамына тікелей цифрлық жиілік торының синтезаторы (ЖТС) кіреді [20, 21]. Мұндай жүйелердің қабылдау жолының кемшілігі - жұмыс жиілігін төмендету қажеттілігі, бұл динамикалық диапазонның төмендеуіне және шу деңгейінің жоғарылауына әкеледі. Сонымен қатар, тікелей цифрлық ЖТС шығысындағы сигналдағы фазалық шу деңгейі доплер радиоларының талаптарына сәйкес келмейді, яғни көп функционалдылық орындалмайды.
Соңғы жылдары бағдарламалық-реконструкцияланатын архитектураның (software-defined radio) принципін БФАТ-да пайдалану туралы басылымдар пайда болды [22, 23]. Мұндай жүйелердің жетіспеушілігі орталық есептеуіштің жылдамдығына жоғары талаптар болып табылады. Мұндай тез әрекетті жүзеге асырудың мүмкін еместігі БФАТ бағыттылық диаграммасының параметрлерінің өзгеру жылдамдығының төмендігіне және соның салдарынан барлық радиожүйенің міндеттерін орындамауына әкеп соғады.
Мәселені бағыттылық диаграммасының сандық қалыптасуына қателерді енгізетін АЖЖ сигналының ажырауы жоқ САТ құрылымын пайдалана отырып шешуге болады. Жиілікті фазалық автоподстройкасының (ЖФАП) сандық сақинасы бар ЖТС әрбір қабылдау-беру модулінің құрамына кіреді және тактілік импульстің бірыңғай генераторымен синхрондалады.
Микроконтроллердің қабылдау-беру модулінің құрамына қосу нақты уақытта бір-біріне тәуелсіз зияткерлік жүйе элементтерінің шығу сигналының параметрлерін өзгертуге мүмкіндік береді. Сигналды өңдеу мен қалыптастырудың бөлінген жүйесінің болуы орталық есептеуішке қойылатын талаптарды төмендетуге және болашақта жүйенің жылдам әрекет етуін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді. Мұндай СҚТМ барлық радиожүйенің сипаттамаларының икемді өзгеруін қамтамасыз етеді және САТ бағыттылық диаграммасын қалыптастыру дәлдігі мен жылдамдығын арттырады. Цифрлық диаграмма құру принциптерін бағдарламалық-қайта жаңғыртылатын архитектурамен біріктіру интеграцияның жоғары дәрежесімен және дәлдік сипаттамаларымен жақсартылған құрылғылардың жаңа класын жасауға мүмкіндік береді. Шетелде ұқсас зерттеулер бойынша деректер олардың өзектілігіне байланысты аз болып табылады.
Дәстүрлі БФАТ - ҚТМ негізі, оның оңайлатылған схемасы 22 суретте бейнеленген. Модуль сәулелендіргіштен және екі таратқыш және қабылдағыш арналардан тұрады. Арналар арасындағы айырым циркуляторды қамтамасыз етеді. Таратқыш арнада шығыста орташа шығыс қуатын 8-15 Вт қамтамасыз ететін АЖЖ-диапазон қуатының жартылай өткізгіштік күшейткіші тұр. Осы диапазондағы қуат бойынша күшейту коэффициенті KP=30 дБ (шамамен 3 каскад), күшейткіштің 25% ПӘК кезінде құрауы мүмкін, онда ҚТМ кірісіндегі қуат шамамен Рвх=15 мВт құрауы тиіс.
Сурет 22 - БФАТ қабылдау-беру модулінің базалық құрылымы
Модульдің шығыс қуатын басқаратын аттенюатор (ATT), сәйкесінше БФАТ диафрагмасындағы амплитуданың таралуы болмауы мүмкін. Басқарылатын фазалық ауыстырғыш (БФА) тиісті ҚТМ жолында фазалық жылжуды жасайды, сондықтан тордағы фазалардың таралуын бақылайды. 11,250-ден 900-ге дейін Δφ дискретті фазада дискретті БФА және сандық басқару қолданылады.
Қабылдағыш арнаның кіре берісінде қорғаныс құрылғысы және аз шуыл күшейткіші (АШК) тұр. АШК көлемі 3x2x1,5 мм (Monolithic Microwave Integrated Circuit ICC) микросхеманың негізінде орындалады және 17 дБ-ге теңдей күшейту коэффициенті болуы мүмкін. Қабылдау каналындағы атенюатор және УФВ таратушы каналдағы элементтерге ұқсас және бірдей функцияларды атқарады.
ҚТМ әдетте 160x200 мм (еніxтереңдігі) көлемінде арнайы корпуста орналасқан. Корпустың биіктігі негізінен тарату арнасындағы АЖЖ-күшейткішінің қуатының өлшеміне қатысты анықталатын болады немесе құрастырушы фирманың талаптарына байланысты 10-нан 150 мм дейінгі аралықта (23 сурет) болуы мүмкін [24].
Сурет 23 - Кең жолақты ҚТМ борттық БФАТ
Тордағы ҚТМ-нің жалпы саны бірнеше мыңнан асуы мүмкін болғандықтан, АЖЖ сигналдарды шығарылу жүйесі ҚТМ-ға берілетін каналдардың шығысындағы сәулеленетін сигналды генерациялау және қалыптастыру құрылғысында, ҚТМ қабылдау каналдарының шығысында сигналдарды өңдеу және алу жүйесі өте күрделі, көлемді және модульдердің шығысында амплитуда мен фазалық сипаттамаларының тұрақтылығын қамтамасыз етпейді. Сонымен қатар, модульдерді жинақы орналастыру жағдайында белсенді аспаптардан жылуды бөлу маңызды міндет болып табылады.
Үлкен БФАТ қозудың қарапайым тәсілі іске асырылуы мүмкін − өтпелі типті оптикалық кеңістік жүйесі. Өтпелі антенналық тор тек қана шығарғыштары ғана емес сонымен қоса кіріс сәулелендіргіштері бар, олардың арасында ҚТМ орналасады. Кіріс сәулеленгіштері рупор антенналарымен − бағыттылықтың диаграммаларын (БД) әр түрлісін қалыптастыруға арналған тор секцияларының саны бойынша сәулеленеді. Мұндай тарату жүйесі кең жолақты болып табылады. Алайда, бұл жағдайда ағасы бір мезгілде қабылдау мен беруге жұмыс істей алмайды, сонымен қатар жиынтық және айырымдық БД үшін оңтайлы амплитудалық таралуларды қалыптастыру мүмкін емес болады.
БФАТ функционалдылығының жоғарылауының басты беталысының бірі сандық диаграмма құруды (СДҚ) пайдалану болып табылады [25]. Цифрлық диаграмманың мәні антенналық тордың бағыттылық диаграммасы (БН) аналогтық құрылғылардан (фаза айналғыштардан) емес, сандық, мысалы, квадраттық модуляторлардан немесе әрбір ҚТМ құрамына кіретін цифрлық кідіріс сызықтарынан құралады. Модулятор арнаға қосымша, цифрлық тәсілмен басқарылатын немесе бағдарламаланатын, дискретті фазалық ығысуды енгізеді, торда қажетті амплитудалық-фазалық бөлуді (АФБ) жасайды немесе оны түзетеді.
САТ құрылымы СҚТМ-дан құралады, ҚТМ-нің аналогтық БФАТ-тан айырмашылығы оның басты функциясы - торлардың қабылдау бөлігінен ерте кезеңде аналогтық сигналды цифрлық сигналдарға түрлендіру, және керісінше цифрлық сигналды тарату бөлігінен аналогтық сигналға түрлендіру. САТ-да күрделі сканерлеу жүйесінің орнына ең болмағанда бір жазықтықта көп сәулелі жұмыс режимін пайдаланған жөн. Бұл СҚТМ-ның басты артықшылығы - аса төмен жиілікті, цифрлық сигналдың кіруіне тасымалдаушы жиілік сигналын тарату жүйесінен кіретін АЖЖ кіруді ауыстыру; дәстүрлі фаза қайтарғыштарды БД қалыптастырудың цифрлық әдістерімен құрылғылармен ауыстыру, жүйенің жұмысына амплитудалық және фазалық қателерді қосатын жиілікті төмендету процедурасының болмауы, сигналдың тікелей көтергіш жиіліктегі аналогтық-цифрлық түрлендірілуін жүзеге асыру (сурет 24).
Сурет 24 - Сандық ҚТМ
СДҚ техникасында аналогты-сандық түрлендіргіштерді (АСТ) қолдану туралы айта кету керек. Мұндай жүйелердің негізгі ерекшелігі - әрбір модульдің қабылдағыш және таратқыш арнасында АСТ қолдану. Сонымен қатар, жиілікті түрлендіру, сигналдарды анықтау операциялары алынып тасталады және осылайша энергетикалық шығындар азаяды, қабылдау жүйесінің сезімталдығы артады және модульдің конструкциясы жеңілдетіледі. Қазіргі заманғы жүйелерде сандық диаграмма құру мәселелерін табысты шешетін өндірушілер арасында ең алдымен, сигналдық процессорлардың, АСТ және ЦАП ірі жеткізушілері - Analog Devices, Texas Instruments және Atmel фирмаларын атап өту қажет. АСТ шығысынан алынатын сигналдар жиынтықталады және сигналдық процессормен өңделеді. Осылайша, жаңа технологиялар кең таралған және қымбат емес элементтік базаға іске асырылады.
АСТ технологиясының қазіргі деңгейі секундына 40 Гигаваборкаға дейінгі жылдамдықпен сигналдарды аналог-цифрлық түрлендіруді жүргізуге мүмкіндік береді - бұл 8 - 10 разрядтық ажыратымдылығы бар коммерциялық қол жетімді АСТ, сонымен қатар кіріс аналогтық сигналдардың диапазоны 13 ГГц-ке дейін құрайды [26].
Одан әрі өңдеу әртүрлі болуы мүмкін. Фазалық ығысулардың сәуле шығарғыштарын сандық ретпен енгізу тәсілі кванттаудың бір сәттеріне сәйкес келетін алынатын мәндерді қосу (Фурье-ДПФ дискретті басымдылығы немесе Фурье-БПФ тез түрлендіру) кең таралған. Адаптивті коэффициенттерді есептеу және нақты уақыт ауқымында ҚТ қалыптастыру цифрлық сигналдық процессорларды (DSP) қамтамасыз етуі тиіс.
Салмағы мен өлшемі параметрлері, жарық диодты жүйелердің энергетикалық және электрлік сипаттамаларының СДҚ жүйелеріне әртүрлі жиілік диапазондары, шығу қуаты деңгейлері, қабылдау жолына қойылатын жоғары талаптар және т.б. үшін CҚТМ-нің оңтайлы құрылымын іздеуді қажет етеді. Мұның бәрі модульдің бағдарламалық жасақтамасын қайта конфигурациялау принципін қолдана отырып жүзеге асырылады, оның функциялары мен сипаттамаларын өзгерту тек бағдарламалық әдістермен жүзеге асырылады, ал микротолқын бөлігі өзгеріссіз қалады. Мұндай СҚТМ құрылымды жүзеге асырудың мысалы 25 суретте көрсетілген, мұнда өзара әрекеттесу және оның сандық бөлігін басқару принципі толығырақ көрсетілген.
Сандық және АЖЖ бөліп тарату және қабылдау трактісіне қойылатын талаптар СҚТМ әртүрлі, сондықтан оларды арнайы мақсатта әртүрлі баспа платаларына орналастырады. АЖЖ бөліктерін экрандау электромагниттік толқындардың сандық басқару сигналдарына тиімсіз әсерін азайтуға мүмкіндік береді. Қабылдау және тарату жолдарының оқшаулануы толқындық немесе баспалық жасалған циркулятордың көмегімен жүзеге асырылады. Циркулятордың шығысында модульді антенна эмитенті немесе сәйкес жүктеме қамтамасыз ететін негізгі тізбек бар. Синхрондау сигналдарын тарату үшін СҚТМ тақтасында сағат бөлгіш орналасқан, ол эталондық сигналды қабылдау және беру жолдарына бөледі.
Модуль параметрлерін басқару орнатылған 8 биттік немесе 16 биттік микроконтроллердің (МК) көмегімен жүзеге асырылады. Ол әмбебап сериялық SPI-интерфейс арқылы сандық құрылғылармен байланысты.
Сурет 25 - Бағдарламалық-реконструкцияланатын сәулетті іске асыру СҚТМ
МК модульдің барлық құрамдас бөліктері, оның ішінде, шығысындағы процесті өзгерту жиілігінде басқарады. Мысалы, МК ішкі тұрақты SRAM-жадындағы СҚТМ әрбір жиіліктік литері әрбір модульдің сандық бөлігінде орналасқан ЖТС бөлудің бүтін және бөлшек коэффициентінің мәндеріне, сондай-ақ нақты жиіліктегі оның шығу қуатын анықтайтын ЖТС шығыстық тогының мәніне сәйкес келеді, бұл таратқыш трактінің АЖХ біркелкі еместігін түзеуге мүмкіндік береді. Қажет болған жағдайда нақты күйге келтіру орнатылған аттенюатордың көмегімен ЖТС шығыс қуатын реттеуге болады. МК жадындағы әрбір жиілікке түзету амплитудасының және шығу сигналының фазасының мәндері сәйкес келеді. Қазіргі заманғы МК жады бірнеше жүздеген жиілік мәндерін сақтауға мүмкіндік береді. Тұрақты есте сақтау құрылғысының СҚТМ құрамына қосылуы сақталатын ақпараттың көлемін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді.
Қабылдағыш трактідегі АСТ параметрлерін басқару бөлігінде контроллер оның дифференциалды кірістерінде тұрақты жылжу деңгейін өзгертуге және диттерингтің ішкі схемасын қосуғаөшіруге мүмкіндік береді.
КБӨО-ның цифрлық құрылғылары қоректендіруді бағдарламалық ажырату мүмкіндігіне ие болады, оның барысында ішкі жады регистрлерінің барлық ағымдағы мәндері сақталады. Шағын ток тұтыну режимін қосу POWER контактісінде жоғары деңгей бойынша МК көмегімен жүзеге асырылады. Бұл режимде ток тұтыну әдетте 100-200 мА аспайды.
МК-ның маңызды міндеті MSC-ті іске қосу және оның құрамдас бөліктерін құрайтын параметрлерді басқару процедурасын жүргізу, содан кейін орталық компьютерге (сандық компьютер) модульдің ағымдағы жағдайы туралы түбіртек беру болып саналады [27].
ККМ-нің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz