РАЗРАБОТКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ РЕЧЕВОЙ СВЯЗИ
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГБОУ ВО Дагестанский государственный технический университет
Факультет Заочный факультет
Кафедра Управления и информатики в технических системах и вычислительной
техники
Направление 27.03.04 - Управление в технических системах
Профиль Управления и информатики в технических системах
К защите допустить
Заведующий кафедрой УиИТСиВТ
____________________Т.Г.Асланов
(подпись, дата)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к выпускной квалификационной работе
НА ТЕМУ:
РАЗРАБОТКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
ДЛЯ СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ РЕЧЕВОЙ СВЯЗИ
Выпускник __________________________ Мамедов А.Я.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
Руководитель __________________________ Мамедов Л.К.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
Нормоконтролер ________________________ Асланов Т.Г.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
МАХАЧКАЛА 2020 г.
Аннотация
Выпускная квалификационная работа посвящена разработке
громкоговорителя для системы коммутации речевой связи. В работе приведено
описание назначения систем коммутации речевой связи, функций
громкоговорителя и вариантов его построения в системе коммутации речевой
связи.
В выпускной квалификационной работе выполнено технико-экономическое
обоснования выполнения работы, а также рассмотрены вопросы охраны труда и
производственной санитарии.
Выпускная квалификационная работа содержит:
___ страниц машинописного текста.
___ рисунков
___ графиков
___ таблиц
а также приложение на ___ страницах
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 7
Глава 1. Обзор по теме и анализ существующих схем построения
громкоговорителей ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 10
1.1. Системы коммутации речевой связи, как вариант применения 10
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1.2. Варианты построения громкоговорителей ... ... ... ... ... 12
1.3. Классификация громкоговорителей ... ... ... ... ... ... ... ... . 14
Глава 2. Разработка схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 18
2.1. Разработка схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 18
2.2. Разработка альтернативной схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21
...
Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 23
3.1. Разработка схемы электрической функциональной 23
громкоговорителя ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ..
3.2. Принцип работы громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... . 26
Глава 4. Разработка схемы электрической принципиальной 27
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
4.1. Выбор и обоснование элементной базы 27
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .
4.2. Принцип работы схемы электрической громкоговорителя 39
4.3. Размещение громкоговорителей на столах ... ... ... ... ... 41
4.4 Разработка 3D модели громкоговорителя в программе 42
Solidworks ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Глава 5. Определение надежности 43
... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .
5.1. Определение понятия надежности ... ... ... ... ... ... ... .. 43
5.2. Критерии надежности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 44
5.3 Меры по повышению надежности ... ... ... ... ... ... ... ... 50
Глава 6. Технико-экономическое обоснование работы ... ... 54
Глава 7. Охрана труда и производственная санитария ... ... 64
Заключение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 73
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... ... .. 74
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО
ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Заочный факультет
Кафедра Управления и информатики в технических системах и вычислительной
техники
Направление 09.03.01 - Информатика и вычислительная техника
Профиль Вычислительные машины, комплексы, системы и сети
К защите допустить
Заведующий кафедрой УиИТСиВТ
____________________Т.Г.Асланов
(подпись, дата)
ЗАДАНИЕ
на выпускную квалификационную работу
Студентки 5 курса ЗУ-52 группы Мамедова Арсена Яшаровича
(фамилия, имя, отчество)
1. Тема ВКР: Разработка громкоговорителя для систем коммутации речевой
связи
2. Тема утверждена приказом ректора по университету от
2020г. № -с.
3. Исходные данные (технические, экономические, организационные и другие
требования) для выполнения ВКР
3.1. Громкоговоритель предназначен для усиления и воспроизведения звукового
сигнала, регулировки уровня громкости и световой индикации наличия
звукового сигнала.
3.2 Требования к техническим характеристикам Громкоговорителя:
1) номинальная мощность – 10 Вт
2) номинальное сопротивление 8 Ом
3) диапазон частот от 120...16000 Гц
4) неравномерность АЧХ не более 6Дб в указанном диапазоне частот.
3.3. В громкоговорителе предусмотреть световую индикацию наличия звукового
сигнала.
3.4. Предусмотреть в громкоговорителе регулировку уровня громкости и
отключение электропитания.
3.5 Предусмотреть на задней панели громкоговорителя разъем для подключения
к источнику дифференциального сигнала. Тип разъема – 733-364 WAGO.
3.6. Требования к электропитанию: громкоговоритель должен питаться от
постоянного напряжения +12В (±0,2В), потребление не должно превышать 0,9А.
3.7. Рабочая температура от минус 40º С до + 50º С.
3.8. Р(40000)≥0,85.
4. Содержание пояснительной записи (перечень вопросов, подлежащих
разработке)
4.1. Введение
4.2. Глава 1. Обзор по теме и анализ существующих схем построения
громкоговорителей.
4.3. Глава 2. Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
4.4. Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя
4.5. Глава 4. Разработка схемы электрической принципиальной
громкоговорителя
4.6. Глава 5. Расчет надежности
4.7. Глава 6. Технико-экономическое обоснование работы
4.8. Глава 7. Охрана труда и техника безопасности
4.9. Заключение.Список использованной литературы
5. Перечень, рекомендуемой литературы
5.1. Гольдштейн Б. С. Системы коммутации. – СПб.: БХВ – Санкт-Петербург,
2003. – 318 с.: ил.
5.2. Абилов А.В. Сети связи и системы коммутации. Учебное пособие для
вузов. М.: Радио и связь, 2004, 288 с.
5.3. http:www.escortpro.ru Громкоговорители для систем оповещения.
6. Перечень разрабатываемого графического (иллюстрированного) материала
№ Наименование графического (иллюстрированного Количество Формат
пп материала) листов
1. Постановочный плакат 1 А1
2. Структурная схема структурная громкоговорителя 1 А2
3. Альтернативный вариант схемы электрической 1 А2
структурной громкоговорителя
4. Схема электрическая функциональная построения 1 А1
громкоговорителя
5. Схема электрическая принципиальная построения 1 А1
громкоговорителя
6. Сетевой и операционно-ресурсный график хода 1 А1
выполнения выпускной квалификационной работы
7. Консультанты по разделам ВКР
Раздел выпускной Фамилия, инициалы Подпись
квалификационной работы консультанта
1.
2.
8. Календарный план-график выполнения работ
№ Содержание этапов работ Объем, % Контрольные сроки
пп выполнения
1. Обзор по теме и анализ существующих схем10 25.03.2020г.
построения громкоговорителей
2. Разработка структурной схемы устройства10 10.04.2020г.
громкоговорителя
3. Разработка функциональной схемы 5 15.04.2020г.
устройства громкоговорителя
4. Разработка принципиальной электрической 15
схемы устройства громкоговорителя
5. Расчет надежности 10 30.04.2020г.
6. Проработка вопросов техники безопасности10 10.05.2020г.
и охраны труда
7. Технико-экономическое обоснование 15 20.05.2020г.
проекта
8. Оформление пояснительной записки 15 26.05.2020г.
9. Подготовка к защите 10 10.06.2020г.
Дата выдачи задания
________________20____г.
Дата сдачи ВКР на кафедру
________________20____г.
Руководитель ВКР _____________________
________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
Студент _____________________ ________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
Примечание:
1. К данному заданию может быть приложено дополнение с более полным
раскрытием специальных требований.
2. В случае отсутствия консультантов пункт 7 задания может быть не
заполнен.
ВВЕДЕНИЕ
Связь – это неотъемлемый элемент существования современного
человеческого общества. В наш технологически развитый век мы просто не
представляем свою жизнь без телефонов. А ведь еще сто лет назад человек
даже и мечтать не мог о такой роскоши. До середины XIX века связь между
Европой, Англией и Америкой устанавливали с помощью пароходной почты. Но
так как это средство связи не позволяло быстро получать известия, то
человеческий разум стал задумываться над более совершенным решением
проблемы.
Развитие средств связи набрало новые обороты с открытием Вольтом в
1800 году электрической батареи. Уже в конце XVIII века, после опытов
Гальвани и Вольта, положивших практическое начало науке об электричестве,
начались работы, нацеленные на создание электрических средств связи. Первые
такие работы касались передачи телеграфных сообщений. Наиболее примитивный
способ телеграфии был основан на том, что две телеграфные станции соединяли
между собой линиями связи, число которых было равно числу знаков алфавита,
и каждый провод служил для передачи одного определенного знака. Для
уменьшения количества проводов между станциями потребовалось изыскать более
совершенные способы передачи данных.
Успехи телеграфии стимулировали разработку идей передачи на расстояние
живой человеческой речи. Переход на цифровую передачу и коммутацию
речевого сигнала немедленно привел к резкому улучшению качества речи,
особенно в тех случаях, когда участники соединения были разделены
большим расстоянием (для предотвращения потерь передаваемой информации
требуется множество регенераторов, кумулятивный побочный эффект которых –
значительное искажение сигнала, но цифровой сигнал, в отличие от
аналогового, очень легко восстанавливать).
Системы коммутации речевой связи (СКРС) и сейчас находят свое
применение в центрах управления воздушным движением (УВД) и обеспечивают
получение диспетчерским составом следующих основных услуг [1]:
1) двухстороннюю радиосвязь с экипажами воздушных судов (ВС) и
другими диспетчерами в ОВЧУВЧ диапазоне частот;
2) двухстороннюю связь с подвижными наземными объектами;
3) внутреннюю телефонную связь для диспетчеров и обслуживающего
технического персонала;
4) документирование речевой информации для последующей регистрации;
5) внешнюю телефонную связь с различными абонентами и т.п.
Внутренняя телефонная связь для диспетчеров осуществляется через
громкоговорители, которые имеют самое широкое применение в различных сферах
человеческой деятельности: в промышленности, транспорте, спорте, культуре,
сфере бытовых услуг. Например, в промышленности громкоговорители
используются для обеспечения громкоговорящей связи (ГГС), в сфере
транспорта – для экстренной связи, объявлений, в бытовой сфере – для
пейджингового оповещения, а также музыкальной фоновой трансляции.
Для обеспечения надлежащего качества громкоговоритель должен работать
громко и качественно - воспроизводить звуковой сигнал в допустимом
(слышимом) динамическом (85-120дБ) и частотном (200 -5000Гц) диапазонах.
В связи с изложенным выше разработка громкоговорителя для систем
коммутации речевой связи является актуальной задачей.
В главе 1 выпускной квалификационной работы, проводится обзор по теме
и анализ существующих схем построения громкоговорителей.
В главе 2 приводятся альтернативные варианты схемы электрической
структурной построения громкоговорителя.
В третьей главе разрабатывается схема электрическая функциональная
громкоговорителя для систем коммутации речевой связи.
В четвертой главе разрабатывается схема электрическая принципиальная
громкоговорителя.
В пятой главе приводится расчет надежности схемы громкоговорителя.
В шестой главе приводится технико-экономическое обоснование выпускной
квалификационной работы.
В седьмой главе раскрываются вопросы по охране труда и технике
безопасности.
Глава 1. ОБЗОР ПО ТЕМЕ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ПОСТРОЕНИЯ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
1.1. Системы коммутации речевой связи, как вариант применения
громкоговорителя.
Система коммутации речевой связи (СКРС) предназначена для:
- организации наземной громкоговорящей и телефонной связи, управления
радиосвязью с воздушными и наземными объектами;
- использования в составе систем управления воздушным движением и
обеспечения рабочих мест диспетчерского и административно-технического
центра управление воздушным движением (УВД).
СКРС применяются для организации оперативной речевой связи в центрах
УВД и для организации речевой связи предприятий и организаций других
ведомств, где имеется несколько различных средств связи и оперативного
управления (диспетчерские службы, центры управления, мониторинга и др.).
Структурная схема СКРС приведена на рисунке 1.1.
СКРС обеспечивает:
• управление радиосвязью с экипажами воздушных судов и наземными
объектами;
• оперативную громкоговорящую связь между диспетчерскими пунктами,
техническими и прочими службами центров УВД и аэропортов;
• оперативную громкоговорящую связь с удаленными объектами и смежными
диспетчерскими пунктами по междугородным каналам;
• телефонную связь.
Рис.1.1 Структурная схема СКРС
Громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический
звуковой сигнал на входе, в слышимый акустический сигнал на выходе и имеют
самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности: в
промышленности, транспорте, спорте, культуре, сфере бытовых услуг.
Например, в промышленности громкоговорители используются для обеспечения
громкоговорящей связи (ГГС), в сфере транспорта – для экстренной связи,
объявлений, в бытовой сфере – для пейджингового оповещения, а также
музыкальной фоновой трансляции.
1.2. Варианты построения громкоговорителей для систем.
Громкоговорители активно применяются в широкой сфере организационных
мероприятий по защите населения: в сфере безопасности – в системах
оповещения и управление эвакуацией (СОУЭ), в сфере гражданской обороны – в
локальных системах оповещения (ЛСО) и предназначены для непосредственного
(звукового) оповещения людей при пожаре и чрезвычайных ситуациях.
Чаще всего в системах применяются трансформаторные громкоговорители.
Это громкоговорители со встроенным трансформатором являются конечными
исполнительными элементами в проводных трансляционных системах, на базе
которых строятся системы оповещения о пожаре, локальные системы оповещения,
системы громкоговорящей связи. В таких системах реализован принцип
трансформаторного согласования, при котором отдельный громкоговоритель или
линия с несколькими громкоговорителями подключается к высоковольтному
выходу трансляционного усилителя. Передача сигнала в высоковольтной линии
позволяет сохранять величину передаваемой мощности за счет уменьшения
токовой составляющей, тем самым минимизировать потери на проводах.
В трансформаторном громкоговорителе осуществляется 2 этапа
преобразования. На первом этапе при помощи трансформатора происходит
понижение напряжения высоковольтного звукового электрического сигнала, на
втором этапе осуществляется преобразование электрического сигнала в
слышимый акустический звуковой сигнал.
На рисунке 1.1 изображена задняя часть корпусного настенного
трансформаторного громкоговорителя.
Корпус громкоговорителя в зависимости от области применения может быть
выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на
сегодняшний день является АВС пластик. Корпус необходим как для удобства
монтажа громкоговорителя, предохранения токоведущих частей от попадания
пыли и влаги, улучшения акустических характеристик, формирования
необходимой диаграммы направленности (ШДН). Понижающий трансформатор
предназначен для понижения высоковольтного напряжения входной линии
(153060120В или 2575100В) до рабочего
Рисунок 1.1. Задняя часть трансформаторного громкоговорителя
напряжения электродинамического преобразователя (динамика). Первичная
обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полная
мощность, 23 мощности, 13 мощности), что позволяет варьировать выходной
мощностью. Отводы маркируются и подключаются к клеммным колодкам. Таким
образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, Ом) – реактивным
сопротивлением (первичной обмотки трансформатора) зависящим от частоты.
Выбирая (зная) значение импеданса можно рассчитать мощность (p, Вт)
громкоговорителя при различных напряжениях (u, В) входной трансляционной
линии, как:
.
Клеммная колодка обеспечивает удобство подключения трансляционной
линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного
громкоговорителя.
Динамик – устройство для преобразования электрического сигнала на
входе в звуковой (слышимый) акустический сигнал на выходе. Подключается ко
вторичной обмотке понижающего трансформатора. В рупорном громкоговорителе
роль динамика выполняет драйвер, жестко скрепленный с рупором.
1.3. Классификация громкоговорителей
Возможный вариант классификации громкоговорителей представлен на
рисунке 1.2.
Громкоговорители для систем оповещения можно классифицировать по
следующим категориям:
1) По области применения,
2) По характеристикам,
3) По конструктивному исполнению.
Рисунок 1.2. Классификация громкоговорителей
1) Громкоговорители в зависимости от области применения и класса решаемых
задач можно дополнительно классифицировать по следующим признакам:
➢ по ширине амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
➢ по ширине диаграммы направленности (ШДН);
➢ по уровню звукового давления.
Классификация громкоговорителей по ширине АЧХ.
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители можно разделить на
узкополосные, полосы которых достаточно только для воспроизведения речевой
информации (от 200Гц до 5кГц) и широкополосные (от 40Гц до 20кГц),
применяемые для воспроизведения не только речи, но и музыки.
Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению – это
графическая или численная зависимость уровня звукового давления от частоты
сигнала, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного
поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра при
постоянном значении напряжения на выводах громкоговорителя.
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители могут быть узкополосными
и широкополосными.
Узкополосные громкоговорители, характеризуются ограниченным значением
АЧХ и, как правило, используются для воспроизведения речевой информации,
находящейся в диапазоне от 200...400 Гц –низкий мужской голос, до 5...9 кГц
– женский высокий голос.
Широкополосные громкоговорители характеризуются широкой АЧХ. Качество
звучания громкоговорителя определяется величиной неравномерности частотной
характеристики – разности максимального и минимального значений уровней
звукового давления в заданном диапазоне частот. Для обеспечения надлежащего
качества данная величина не должна превышать 10%.
Классификация громкоговорителей по ширине диаграммы направленности.
Ширина диаграммы направленности (ШДН) определяется типом и
конструкцией громкоговорителя и существенным образом от частотного
диапазона.
Громкоговорители с узкой ШДН называют узконаправленными (например,
рупорные громкоговорители, прожекторы). Преимуществом таких
громкоговорителей является высокое звуковое давление.
Громкоговорители с широкой ШДН называют широконаправленными (например,
акустические системы, звуковые колонны, корпусные громкоговорители).
Классификация громкоговорителей по звуковому давлению.
Громкоговорители можно условно различить по уровню звукового давления.
Уровень звукового давления SPL (Sound Pressure Level) — измеренное по
относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному
давлению 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной
звуковой волны частотой 1 кГц. Величину SPL называемую чувствительностью
громкоговорителя (измеряется в децибелах, дБ) следует отличать от
(максимального) уровня звукового давления, max SPL, характеризующего
способность громкоговорителя воспроизводить без искажений верхний уровень
заявленного динамического диапазона. Таким образом, звуковое давление
громкоговорителя (в паспортах обозначается как, maxSPL) по другому
называемое громкостью громкоговорителя и складывается из его
чувствительности (SPL) и электрической (паспортной) мощности (Р, Вт),
переведенной в децибелы (дБ), по правилу "десяти логарифмов":
.
Из данной формулы видно, что высокий или низкий уровень звукового
давления (громкости) в большей степени зависит не его электрической
мощности, а от чувствительности определяемой типом громкоговорителя.
Громкоговорители внутреннего исполнения, как правило, имеют maxSPL не
превышающее 100дБ, в то время как звуковое давление, например, рупорных
громкоговорителе может достигать 132дБ.
Классификация громкоговорителей по конструктивному исполнению.
Громкоговорители для трансляционных систем различаются по
конструктивному исполнению. В самом общем случае громкоговорители можно
разделить на корпусные (с электродинамическим громкоговорителем) и
рупорные. Корпусные громкоговорители в свою очередь можно разделить на
потолочные и настенные, врезные и накладные. Рупорные громкоговорители
могут отличаться формой раскрыва – круглые, прямоугольные, материалом –
пластик, алюминий.
Глава 2. Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
12 Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
Структурная схема — это совокупность элементарных звеньев объекта и
связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным
звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая
реализует элементарную функцию.
Элементарные звенья изображаются прямоугольниками, а связи между
ними — сплошными линиями со стрелками, показывающими направление действия
звена. Иногда в поле прямоугольника вписывают математическое выражение
закона преобразования сигнала в звене, в этом случае схему иногда
называют алгоритмичной.
В схемотехнике вместе со структурной различают также
принципиальную и функциональную схему. Среди всех этих схем структурная
наименее детализирована. Она предназначена для отражения общей структуры
устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей
между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное
устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют
его части. Обозначение структурной схемы могут быть достаточно свободными,
хотя некоторые общепринятые правила всё же лучше выполнять.
Как мы уже говорили выше громкоговоритель выполняет преобразование
электрического звукового сигнала на входе, в слышимый акустический сигнал
на выходе.
Структурная схема, приведенная на рис.2.1. состоит из следующих
блоков:
Головка электродинамическая;
Микросхема усилителя;
Стабилизатор напряжения;
Блок индикации;
Фильтр проходной;
Потенциометр.
Стабилизатор напряжения выполняет функцию регулирования напряжения
подаваемого от внешнего оборудования.
Микросхема усилителя звука выполняет функцию усиления входного
речевого сигнала для передачи на потенциометр и головку
электродинамическую.
Наличие речевой информации на входе громкоговорителя индицируется
блоком индикации.
Фильтр проходной предназначен для защиты от шумов возникающих в линии
на входе громкоговорителя.
Регулятор уровня сигнала предназначен для регулирования уровня
звукового сигнала на входе головки электродинамической.
Головка электродинамическая необходима для преобразования механических
колебаний в акустические.
15 Разработка альтернативной схемы электрической структурной
громкоговорителя
Возможен еще один вариант реализации устройства. Альтернативная
структурная схема устройства приведена на рис. 2.2. Принципиальное отличие
от первого варианта устройства является наличие дополнительно
трансформатора и еще одного проходного фильтра.
Первый вариант реализации громкоговорителя удовлетворяет техническому
заданию, и выполняет все возложенные функции, дополнительно использование
трансформатора не требуется, т. к. на входе громкоговорителя сигнал уже
подается в требуемом диапазоне звуковых частот. Поэтому первый вариант
структурной схемы будем использовать в качестве основного варианта
реализации.
Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя.
3.1. Разработка схемы электрической функциональной громкоговорителя
После разработки схемы электрической структурной и проведенного
анализа технического задания появляется возможность выбора элементной базы
электронного устройства на функциональном уровне.
Схема электрическая функциональная — вид графической модели изделия.
Их использование и построение позволяет наглядно отразить устройство
функциональных (рабочих) изменений, описание которых оперирует любыми (в
том числе и несущественными) микросхемами, БИС и СБИС. Поскольку
функциональные схемы не имеют собственной системы условных обозначений, их
построение допускает сочетание кинематических, электрических и
алгоритмических обозначений.
В первую очередь необходимо определиться с тем, какие функциональные
части этого устройства могут быть построены на цифровых интегральных
микросхемах, и какие на аналоговых.
Особенность схемы функциональной заключается в том, что некоторые
части структурной схемы могут быть разделены на несколько функциональных
блоков, либо наоборот – объединены одним функциональным блоком. На рисунке
3.1. приведена схема электрическая функциональная громкоговорителя.
Основным элементом устройства является усилитель звука (D3). Функции
усилителя звука — усиление звука, поступающего с регулятора уровня сигнала
на вход головки электродинамического по линии и обеспечение высокого
качества звука.
Регулятор уровня сигнала (D1) выполняет функцию регулирования
уровня звукового сигнала на входе микросхемы усилителя звука.
Стабилизатор напряжения (D2) выполняет функцию регулирования выходного
напряжения подаваемого от внешнего оборудования с 12 В до
3,3 В.
Фильтр проходной (Z1) предназначен для фильтрации шумов, возникающих в
линии электропитания на входе громкоговорителя. Электропитание +12 В с
фильтра проходного поступает на микросхему стабилизатора напряжения.
Головка электродинамическая (ВА1) преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме усилителя звука в
акустические.
На блок индикации (HL1) выводится индикация наличия на выходе
микросхема усилителя звука речевой информации и индикацию изменения уровню
сигнала.
3.2. Принцип работы громкоговорителя
Входной речевой сигнал, поступающий с линии проходит фильтр верхних
частот, реализованный на базе RC фильтра (резисторы С1 и R1). Далее на
регуляторе уровня сигнала выставляется необходимый для комфортного
прослушивания уровень речевого сигнала.
Усилитель звука (микросхема D3) усиливает сигнал, коэффициент
усиления задается резисторами R2 и R3. Эта микросхема моно усилителя звука
класса D обеспечивает высокое качество и эффективную мощность звука.
Электропитание громкоговорителя осуществляется от двух номиналов
напряжения: 12 и 3,3 В. Для преобразования входного напряжения 12 В в
3,3 В на функциональной схеме показан стабилизатор напряжения (D2). Кроме
функции преобразования напряжения микросхема D2 на выходе предоставляет
номинальный выходной ток и всё это с точностью не хуже 1,5%. Обеспечение
точности выходного напряжения и тока осуществляется в том числе и за счет
конденсаторов С2 и С3 на выходе OUT стабилизатора напряжения.
На проходном фильтре (Z1) осуществляется фильтрация помех (шумов) по
линии электропитания на входе громкоговорителя от внешнего источника
электропитания, т.к. наличие шумов на громкоговорителе является
нежелательным для служб управления воздушным движением и они очень критичны
к качеству воспроизводимого сигнала.
Усиленный на микросхеме D3 речевой сигнал подается на головку
электродинамическую (ВА1), который преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме в акустические.
Отображение наличия речевого сигнала на выходе микросхемы усилителя
звука отображается на блоке индикации (HL1). Кроме этого на HL1 будет
индикация изменения уровню сигнала по амплитуде.
Глава 4. Разработка принципиальной электрической схемы
громкоговорителя.
4.1. Выбор и обоснование элементной базы громкоговорителя.
Разработка схемы принципиальной представляет собой более высокий
уровень синтеза электронного устройства (ЭУ), чем уровень синтеза
структурной схемы. В то время как структурная схема есть совокупность
формальных моделей функциональных частей электронного устройства,
принципиальная схема является совокупностью электрических моделей этих
частей.
Схема электрическая принципиальная определяет полный состав элементов
изделия и дает детальное представление о принципе работы изделия.
Принципиальная схема служит основой для разработки других конструкторских
документов — схемы соединений и расположения, чертежей конструкции изделия
— и является наиболее полным документом для изучения принципа работы
изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы и
устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных
электрических процессов, все электрические связи между ними, а также
электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи
(разъемы, зажимы и т.п.). Элементы изображают в виде условных графических
обозначений, установленных ГОСТ и ЕСКД.
Выбор и обоснование головки электродинамической
В качестве головки электродинамической выберем FR58-8Ohm VISATION.
Для выбора конкретной головки электродинамической необходимо:
1. определить номинальную и пиковую мощность головки электродинамической;
2. оценить частотную характеристику головки электродинамической;
3. определить сопротивление постоянному току;
4. оценить допустимые параметры условий эксплуатации (рабочая температура);
5. стоимость.
Головка электродинамическая FR58-8Ohm отличается очень линейной и
широкой частотной характеристикой и низкой резонансной частотой, что
позволяет использовать головку в различных сферах применения, в том числе
при производстве Hi-Fi оборудования. Основные технические характеристики
головки электродинамической приведена в таблице 4.1
Таблица 4.1. Технические характеристики FR58-8Ohm
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Номинальная мощность, Вт 10
2 Пиковая мощность, Вт 12
3 Частотная характеристика, Гц 120 – 20000
4 Номинальное звуковое давление,81
дБ
5 Сопротивление постоянному 7,3
току, Ом
6 Резонансная частота, Гц 190
7 Магнитная индукция, Тесла 1,4
8 Общая добротность Qts 0,98
9 Рабочая температура, °C -40 ... +100
10 Класс защиты IP64
11 Масса, кг 0,13
Выбор и обоснование стабилизатора напряжения
Для выбора и обоснования стабилизатора напряжения нам нужно определить
основные требования к нему:
- напряжение выходное;
- входное напряжение;
- ток выходной;
- точность;
- рабочая температура;
- корпус для поверхностного монтажа.
Для решения нашей задачи идеально подходит стабилизатор напряжения
LM1086IS-3.3 Texas Instruments, удовлетворяющий перечисленным выше
условиям, а именно входное напряжение, напряжение выходное, ток выходной и
точность.
Стабилизатор напряжения LM1086IS-3.3 – это серия регуляторов
напряжения с возможностью регулирования выходного напряжения используя два
внешних резистора. Они доступны для шести постоянных напряжений: 1,8 В; 2,5
В; 2,85 В; 3,3 В; 3,45 В и 5 В. Изготавливаются по без свинцовой
технологии.
Основные технические характеристики стабилизатора напряжения приведены
в таблице 4.2.
Таблица 4.2. Технические характеристики стабилизатора напряжения LM1086IS-
3.3
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Напряжение выходное, В 3,3
2 Ток выходной, А 1,5
3 Рабочая температура, °C -40 ... +125
4 Входное напряжение до 27
максимальное, В
5 Входное напряжение 2,6
минимальное, В
6 Выходное напряжение 27 ,5
максимальное, В
7 Выходное напряжение 1,25
минимальное, В
8 Точность, % 1,5
Схема подключения стабилизатора напряжения приведена на рисунке 4.1, а
типичные технические характеристики на рис.4.2.
Рисунок 4.1 Типичная схема подключения стабилизатора напряжения
LM1086IS-3.3
Рисунок 4.2. Типичные технические характеристики
Выбор и обоснование потенциометра PTR901-2015K-B502 Bourns
Для выбора и обоснования потенциометра нам нужно определить основные
требования к потенциометру:
- сопротивление;
- мощность;
- число поворотов;
- толерантность;
- габаритные размеры;
- наличие функции включениевыключение звука.
Для решения нашей задачи подходит потенциометр PTR901-2015K-B502
Bourns, удовлетворяющий перечисленным выше условиям, а именно
сопротивление, мощность и невысокая стоимость.
Потенциометры PTR901-2015K-B502 Bourns изготавливаются по
высококачественной технологии, свободны от содержания свинца и надежны.
Основные технические характеристики потенциометра приведены в таблице
4.3.
Таблица 4.3
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Производитель: Bourns
2 Серия: PTR90
3 Число поворотов: Одно
4 Вращение, градусов: 300
5 Резистивный материал: Карбон
6 Тип выводов: PCB
7 Длина ручки: 0.591" (15.00mm)
8 Диаметр ручки: 0.236" (6.00mm)
9 Сопротивление, Ом: 5k
10 Толерантность, %: ±20
11 Мощность (Вт): 0.05
12 Тип монтажа: Сквозное отверстие
13 Рабочая температура, °C -40 ... +100
Выбор и обоснование проходных фильтров
Для выбора и обоснования проходного фильтра нам нужно определить
основные требования к нему:
- тип фильтра;
- емкость;
- ток;
- напряжение.
Технические характеристики проходного фильтра NFE31PT222Z1E9L
приведены в таблице 4.4
Таблица 4.4
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Тип фильтра Фильтр низких частот
2 Емкость, pF 2200
3 Ток, А 6
4 Напряжение, В 25
5 Серия NFE31P
6 Корпус (размер) 1206 (3216 Metric)
Эквивалентная схема подключения проходного фильтра приведена на
рисунке 4.3, а характеристика вносимых потерь на рис.4.4.
Рисунок 4.3 Эквивалентная схема подключения проходного фильтра
Рисунок 4.4 Характеристика вносимых потерь на проходном фильтре
Схема принципиальная электрическая громкоговорителя приведена на
рисунке 4.5. Перечень элементов приведен в таблице 4.5.
Выбор и обоснование усилителя звука
Для выбора и обоснования усилителя звука нам нужно определить основные
требования к нему:
- напряжение питания;
- режим работы усилителя;
- выходная мощность;
- количество каналов;
- минимальная нагрузка;
- рабочая температура.
Для решения нашей задачи идеально подходит микросхема усилителя звука
MAX9768BETG+ MAXIM. Эта микросхема моно усилителя звука класса D
обеспечивает высокое качество и эффективную мощность звука со встроенным
регулятором громкости. Напряжение питания усилителя звука в диапазоне от
4.5 в до 14 В и может обеспечить до 10 Вт при нагрузке 8Ω (при напряжении
питания 14 В).
Работа в режиме расширения спектра уменьшает уровень электромагнитных
излучений, что позволяет устройству проходить испытание EMC с помощью
фильтров, феррит и кабеля длиной до 1м. Микросхема MAX9768 может быть
синхронизирована с внешним тактовым сигналом, что позволяет
синхронизироваться с несколькими усилителями класса D. Данные микросхемы
изготавливаются по без свинцовой технологии.
Основные технические характеристики стабилизатора напряжения приведены
в таблице 4.5.
Таблица 4.5. Технические характеристики микросхемы MAX9768BETG+ MAXIM
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Напряжение питания, В от 4,5 до 14
2 Режим работы усилителя Класс D
3 Рабочая температура, °C -40 ... +85
4 Минимальная нагрузка, Ом 8
6 Выходное мощность на канал, Вт10
7 Количество каналов 1
Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+ приведена на
рисунке 4.5, а типичные технические характеристики на рис.4.6.
Рисунок 4.5 Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+
Рисунок 4.6 Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+ с
контролем уровня звука
Рисунок 4.7. Установка усиления
Внешние резисторы обратной связи предназначены для регулирования
коэффициента усиления MAX9768. Выходной каскад имеет внутреннее усиление
20дб в дополнение можно установить и внешнее усиление. Установить
максимальный коэффициент усиления можно с помощью резисторов RF и RIN (рис.
4.7) следующим образом:
Выбрать RF между 10кОм и 50 кОм. Обратите внимание, что
фактический коэффициент усиления микросхемы зависит от уровня громкости.
Входной конденсатор, , в сочетании с входным резистором перед
микросхемой MAX9768 образуют фильтр верхних частот, который предназначен
для удаления постоянного смещения от входного сигнала. Конденсатор по
переменному току позволит микросхеме усилителя автоматически смещать сигнал
до оптимального уровня.
Рисунок 4.6 Перечень элементов громкоговорителя
4.2. Принцип работы принципиальной электрической схемы громкоговорителя
На основе проведенного анализа технического задания, на основе
разработанной схемы структурной и схемы функциональной составляется схема
электрическая принципиальная.
Схема электрическая принципиальная приведена на рис. 4.5.
После включения электропитания на громкоговорителе (потенциометр RP1)
на соединитель Т1_ХР1, контакт 1 поступает речевой сигнал по линии и далее
на входной конденсатор, Т1_С1, в сочетании с входным резистором Т1_R1 они
образуют фильтр верхних частот, который предназначен для удаления
постоянного смещения со входного сигнала. Речевой сигнал лежит в диапазоне
от 0,3 до 3,4 кГц в системах речевой связи. Расчет фильтра верхних частот
выполнен для полосы частот выше 3,4 кГц.
Далее резисторами Т1_R1 и Т1_R3 выставляется коэффициент усиления на
микросхеме усилителя звука Т1_D1.
В качестве микросхемы D2 показанной на этапе разработки функциональной
схемы мы применили потенциометр RP1 PTR901-2015K-B502, который кроме
регулирования уровня сигнала позволяет отключать напряжение +12 В на входе
проходного фильтра Т1_Z2, т.е. можно еще и отключать электропитание самого
громкоговорителя. Сопротивление на потенциометре выбрано 5 кОм, мощность
0,05 Вт. Так как уровень напряжения речевого сигнала в системах речевой
связи лежит в пределах от 0,2 до 2,5 В. Ток в линии не более 10 мА. Т.е.
потенциометр достаточен для выполнения своих функций.
Микросхема Т1_D1 усиливает речевой сигнал поступающий на контакты 7 и
8, после фильтрации и с коэффициентом усиления определяемым по формуле
.
Электропитание микросхемы осуществляется напряжениями +12 В и 3,3 В.
Конденсатор Т1_С4 емкостью 1 мкФ предназначен для сглаживания напряжения
питания +12 В на контактах 3, 16 (PVdd) микросхемы.
С выхода Boot+ и OUT+ микросхемы Т1_D1 сигнал заводится на резисторы
Т2_R1...T2_R5 (которые обеспечивают необходимый уровень тока, не менее 15 мА,
для индикаторов T2_HL1...T2_HL10) и индикаторы единичные T2_HL1...T2_HL10, что
позволяет кроме отображения наличия речевого сигнала на выходе микросхемы
усилителя звука еще и изменение уровня сигнала по амплитуде (т.е. можно
увидеть наличие измененияпоявление речевого сигнала).
В цепи управления индикаторами используется маломощный
полупроводниковый диод BAV99W (Т1_VD1) компании Philips. Кремниевый
полупроводниковый прибор обладает высокой проводимостью и высокой скоростью
переключения. Максимальное постоянное обратное напряжение — 80V,
максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток составляет 0.2A,
минимальное прямое напряжение 1.25V. Корпус SOT-323 позволяет сэкономить
пространство печатной платы, поддерживая, тем самым, монтаж высокой
плотности.
Биполярный транзистор PZT2222AT1 MOTOROLA (Т1_VT1) в цепи управления
индикацией включен в ключевом режиме. При наличии речевого сигнала
необходимого уровня (ток на базе транзистора должен быть не менее 10 мА,
сопротивление на базе транзистора определяется резистором Т1_R4)
открывается транзистор и включается свечение единичных индикаторов
T2_HL1...T2_HL10.
В схеме принципиальной электрической (в отличии от функциональной
схемы) для фильтрации помех (шумов) по линии электропитания напряжение 3,3
В на входе микросхемы MAX9768BETG+ дополнительно применен фильтр проходной
Т1_Z1.
Электропитание на схеме громкоговорителя осуществляется от двух
номиналов напряжения: 12 и 3,3 В. Для преобразования входного напряжения 12
В в 3,3 В на схеме показан стабилизатор напряжения (T1_D2) Микросхема
LM1086IS-3.3 NSC. Конденсаторы Т1_С8 и танталовый электролитический Т1_С12
на выходе OUT стабилизатора напряжения обеспечивают точность выходного
напряжения и тока не хуже 1,5%. Номиналы указанных конденсаторов выбраны
исходя из рекомендаций приведенных в описании микросхемы LM1086IS-3.3 NSC.
На проходном фильтре (Т1_Z2) осуществляется фильтрация помех (шумов)
по линии электропитания напряжение +12 В на входе микросхемы T1_D2 от
внешнего источника электропитания.
Усиленный на микросхеме Т1_D1 речевой сигнал подается на головку
электродинамическую (ВА1), который преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме в акустические.
4.3. Размещение громкоговорителей на столах
Кроме того, что нами разработан громкоговоритель обеспечивающий
выполнение требований технического задания одной из актуальных является
задача правильного выбора схемы расстановки громкоговорителей на рабочих
местах сотрудников службы управления воздушным движением. Правильным
размещением можно добиться хороших результатов – высокого качества
звучания, фоновой разборчивости, равномерного (комфортного) распределения
звука.
Для равномерного озвучивания помещения громкоговорители следует
устанавливать так, чтобы результирующие площади слегка перекрывали друг
друга. Необходимое количество громкоговорителей получается из отношения
величин озвучиваемой площади к площади, озвучиваемой одним
громкоговорителем. Расстановка громкоговорителей определяется геометрией
здания. Расстояние между громкоговорителями, или шаг расстановки,
определяют, исходя из областей покрытия. При неправильной расстановке
(превышении шага) звуковое поле будет распределяться неравномерно, в
некоторых областях будут наблюдаться провалы, ухудшающие восприятие.
4.4 Разработка 3 D модели громкоговорителя в программе Solidworks
SolidWorks – пожалуй, наиболее популярного инструмента для
инженерного проектирования и 3D моделирования. Именно в этом пакете
создается большинство технических деталей не только для 3D печати, но и для
других технических целей. Итак, SolidWorks представляет собой мощный
инструмент для 3D моделирования и автоматизированного проектирования
сложных изделий различного назначения. По сути, это полноценный набор для
конструирования изделий в цифровом виде, который содержит в себе множество
дополнительных инструментов, позволяющих производить над моделью
виртуальные технические испытания.
Результат проектирования ниже:
Вид спереди
Вид сбоку
Глава 5. Определение надежности
5.1. Определение понятия надежности
Наиболее важная задача, стоящая перед промышленностью, заключается в
выпуске высококачественной аппаратуры отвечающей требованиям стандартов.
Одним из основных показателей ее качества является надежность. Высокую
надежность аппаратуры можно обеспечить, уделяя ей должное внимание на
этапах проектирования. Опыт показывает, что если в период проектирования
аппаратуры вопросам надежности не уделено должного внимания, то последующее
повышение надежности в процессе производства потребует значительно больших
затрат времени и средств. В данном случае в процессе проектирования
необходимо учесть все факторы (внешние и внутренние), влияющие на
надежность прибора, так как он является измерительным прибором, работа
которого должна быть стабильной без погрешностей.
Надежность определяется, как свойство технического изделия выполнять
заданные функции в течение требуемого времени. Основным понятием теории
надежности является отказ, под которым понимают случайное событие,
нарушающее работоспособность изделия. Применительно к вычислительной
технике различают два вида отказов: устойчивые (собственно отказы) и
самоустраняющиеся (сбой, перемежающиеся отказы). Сбой возникает вследствие
одновременного неблагоприятного изменения нескольких параметров и
существует кратковременно. Перемежающиеся отказы могут возникать, например,
при плохом контакте в соединителе.
Надежность есть свойство аппаратуры сохранять свои выходные
характеристики (параметры) в определенных пределах при данных условиях
эксплуатации.
5.2. Критерии надежности
Критерием надежности назовем признак, мерило, по которому оценивается
надежность различных изделий.
К числу наиболее широко применяемых критериев надежности относятся:
- вероятность безотказной работы в течение определенного времени Р(t);
- средняя наработка до первого отказа Тср;
- наработка на отказ tср;
- частота отказов a(t);
- интенсивность отказов ((t);
- параметр потока отказов ((t);
- функция готовности KГ (t);
- коэффициент готовности КГ.
Характеристикой надежности будем называть количественное значение
критерия надежности конкретного изделия.
Критериями надежности данного изделия является:
- вероятность безотказной работы P(t);
- частота отказов a(t);
- интенсивность отказов ((t);
- средняя наработка до первого отказа Тср;
Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при
определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в
пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.
Расчет показателей надежности
В техническом задании выпускной квалификационной работы в качестве
показателя надежности задана вероятность безотказной работы, которая равна:
Р(40000)≥0,85
Для анализа этого требования проведем сначала ориентировочный расчет
надежности с номинальными режимами работы всех входящих в разрабатываемое
изделие деталей.
В первую очередь, определяем принадлежность разрабатываемого изделия
к тем или иным системам. ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
ФГБОУ ВО Дагестанский государственный технический университет
Факультет Заочный факультет
Кафедра Управления и информатики в технических системах и вычислительной
техники
Направление 27.03.04 - Управление в технических системах
Профиль Управления и информатики в технических системах
К защите допустить
Заведующий кафедрой УиИТСиВТ
____________________Т.Г.Асланов
(подпись, дата)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к выпускной квалификационной работе
НА ТЕМУ:
РАЗРАБОТКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
ДЛЯ СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ РЕЧЕВОЙ СВЯЗИ
Выпускник __________________________ Мамедов А.Я.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
Руководитель __________________________ Мамедов Л.К.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
Нормоконтролер ________________________ Асланов Т.Г.
(подпись, дата)
(Ф.И.О.)
МАХАЧКАЛА 2020 г.
Аннотация
Выпускная квалификационная работа посвящена разработке
громкоговорителя для системы коммутации речевой связи. В работе приведено
описание назначения систем коммутации речевой связи, функций
громкоговорителя и вариантов его построения в системе коммутации речевой
связи.
В выпускной квалификационной работе выполнено технико-экономическое
обоснования выполнения работы, а также рассмотрены вопросы охраны труда и
производственной санитарии.
Выпускная квалификационная работа содержит:
___ страниц машинописного текста.
___ рисунков
___ графиков
___ таблиц
а также приложение на ___ страницах
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 7
Глава 1. Обзор по теме и анализ существующих схем построения
громкоговорителей ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 10
1.1. Системы коммутации речевой связи, как вариант применения 10
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1.2. Варианты построения громкоговорителей ... ... ... ... ... 12
1.3. Классификация громкоговорителей ... ... ... ... ... ... ... ... . 14
Глава 2. Разработка схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 18
2.1. Разработка схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 18
2.2. Разработка альтернативной схемы электрической структурной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21
...
Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 23
3.1. Разработка схемы электрической функциональной 23
громкоговорителя ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ..
3.2. Принцип работы громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... . 26
Глава 4. Разработка схемы электрической принципиальной 27
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
4.1. Выбор и обоснование элементной базы 27
громкоговорителя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .
4.2. Принцип работы схемы электрической громкоговорителя 39
4.3. Размещение громкоговорителей на столах ... ... ... ... ... 41
4.4 Разработка 3D модели громкоговорителя в программе 42
Solidworks ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Глава 5. Определение надежности 43
... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .
5.1. Определение понятия надежности ... ... ... ... ... ... ... .. 43
5.2. Критерии надежности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 44
5.3 Меры по повышению надежности ... ... ... ... ... ... ... ... 50
Глава 6. Технико-экономическое обоснование работы ... ... 54
Глава 7. Охрана труда и производственная санитария ... ... 64
Заключение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 73
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... ... .. 74
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО
ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Заочный факультет
Кафедра Управления и информатики в технических системах и вычислительной
техники
Направление 09.03.01 - Информатика и вычислительная техника
Профиль Вычислительные машины, комплексы, системы и сети
К защите допустить
Заведующий кафедрой УиИТСиВТ
____________________Т.Г.Асланов
(подпись, дата)
ЗАДАНИЕ
на выпускную квалификационную работу
Студентки 5 курса ЗУ-52 группы Мамедова Арсена Яшаровича
(фамилия, имя, отчество)
1. Тема ВКР: Разработка громкоговорителя для систем коммутации речевой
связи
2. Тема утверждена приказом ректора по университету от
2020г. № -с.
3. Исходные данные (технические, экономические, организационные и другие
требования) для выполнения ВКР
3.1. Громкоговоритель предназначен для усиления и воспроизведения звукового
сигнала, регулировки уровня громкости и световой индикации наличия
звукового сигнала.
3.2 Требования к техническим характеристикам Громкоговорителя:
1) номинальная мощность – 10 Вт
2) номинальное сопротивление 8 Ом
3) диапазон частот от 120...16000 Гц
4) неравномерность АЧХ не более 6Дб в указанном диапазоне частот.
3.3. В громкоговорителе предусмотреть световую индикацию наличия звукового
сигнала.
3.4. Предусмотреть в громкоговорителе регулировку уровня громкости и
отключение электропитания.
3.5 Предусмотреть на задней панели громкоговорителя разъем для подключения
к источнику дифференциального сигнала. Тип разъема – 733-364 WAGO.
3.6. Требования к электропитанию: громкоговоритель должен питаться от
постоянного напряжения +12В (±0,2В), потребление не должно превышать 0,9А.
3.7. Рабочая температура от минус 40º С до + 50º С.
3.8. Р(40000)≥0,85.
4. Содержание пояснительной записи (перечень вопросов, подлежащих
разработке)
4.1. Введение
4.2. Глава 1. Обзор по теме и анализ существующих схем построения
громкоговорителей.
4.3. Глава 2. Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
4.4. Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя
4.5. Глава 4. Разработка схемы электрической принципиальной
громкоговорителя
4.6. Глава 5. Расчет надежности
4.7. Глава 6. Технико-экономическое обоснование работы
4.8. Глава 7. Охрана труда и техника безопасности
4.9. Заключение.Список использованной литературы
5. Перечень, рекомендуемой литературы
5.1. Гольдштейн Б. С. Системы коммутации. – СПб.: БХВ – Санкт-Петербург,
2003. – 318 с.: ил.
5.2. Абилов А.В. Сети связи и системы коммутации. Учебное пособие для
вузов. М.: Радио и связь, 2004, 288 с.
5.3. http:www.escortpro.ru Громкоговорители для систем оповещения.
6. Перечень разрабатываемого графического (иллюстрированного) материала
№ Наименование графического (иллюстрированного Количество Формат
пп материала) листов
1. Постановочный плакат 1 А1
2. Структурная схема структурная громкоговорителя 1 А2
3. Альтернативный вариант схемы электрической 1 А2
структурной громкоговорителя
4. Схема электрическая функциональная построения 1 А1
громкоговорителя
5. Схема электрическая принципиальная построения 1 А1
громкоговорителя
6. Сетевой и операционно-ресурсный график хода 1 А1
выполнения выпускной квалификационной работы
7. Консультанты по разделам ВКР
Раздел выпускной Фамилия, инициалы Подпись
квалификационной работы консультанта
1.
2.
8. Календарный план-график выполнения работ
№ Содержание этапов работ Объем, % Контрольные сроки
пп выполнения
1. Обзор по теме и анализ существующих схем10 25.03.2020г.
построения громкоговорителей
2. Разработка структурной схемы устройства10 10.04.2020г.
громкоговорителя
3. Разработка функциональной схемы 5 15.04.2020г.
устройства громкоговорителя
4. Разработка принципиальной электрической 15
схемы устройства громкоговорителя
5. Расчет надежности 10 30.04.2020г.
6. Проработка вопросов техники безопасности10 10.05.2020г.
и охраны труда
7. Технико-экономическое обоснование 15 20.05.2020г.
проекта
8. Оформление пояснительной записки 15 26.05.2020г.
9. Подготовка к защите 10 10.06.2020г.
Дата выдачи задания
________________20____г.
Дата сдачи ВКР на кафедру
________________20____г.
Руководитель ВКР _____________________
________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
Студент _____________________ ________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
Примечание:
1. К данному заданию может быть приложено дополнение с более полным
раскрытием специальных требований.
2. В случае отсутствия консультантов пункт 7 задания может быть не
заполнен.
ВВЕДЕНИЕ
Связь – это неотъемлемый элемент существования современного
человеческого общества. В наш технологически развитый век мы просто не
представляем свою жизнь без телефонов. А ведь еще сто лет назад человек
даже и мечтать не мог о такой роскоши. До середины XIX века связь между
Европой, Англией и Америкой устанавливали с помощью пароходной почты. Но
так как это средство связи не позволяло быстро получать известия, то
человеческий разум стал задумываться над более совершенным решением
проблемы.
Развитие средств связи набрало новые обороты с открытием Вольтом в
1800 году электрической батареи. Уже в конце XVIII века, после опытов
Гальвани и Вольта, положивших практическое начало науке об электричестве,
начались работы, нацеленные на создание электрических средств связи. Первые
такие работы касались передачи телеграфных сообщений. Наиболее примитивный
способ телеграфии был основан на том, что две телеграфные станции соединяли
между собой линиями связи, число которых было равно числу знаков алфавита,
и каждый провод служил для передачи одного определенного знака. Для
уменьшения количества проводов между станциями потребовалось изыскать более
совершенные способы передачи данных.
Успехи телеграфии стимулировали разработку идей передачи на расстояние
живой человеческой речи. Переход на цифровую передачу и коммутацию
речевого сигнала немедленно привел к резкому улучшению качества речи,
особенно в тех случаях, когда участники соединения были разделены
большим расстоянием (для предотвращения потерь передаваемой информации
требуется множество регенераторов, кумулятивный побочный эффект которых –
значительное искажение сигнала, но цифровой сигнал, в отличие от
аналогового, очень легко восстанавливать).
Системы коммутации речевой связи (СКРС) и сейчас находят свое
применение в центрах управления воздушным движением (УВД) и обеспечивают
получение диспетчерским составом следующих основных услуг [1]:
1) двухстороннюю радиосвязь с экипажами воздушных судов (ВС) и
другими диспетчерами в ОВЧУВЧ диапазоне частот;
2) двухстороннюю связь с подвижными наземными объектами;
3) внутреннюю телефонную связь для диспетчеров и обслуживающего
технического персонала;
4) документирование речевой информации для последующей регистрации;
5) внешнюю телефонную связь с различными абонентами и т.п.
Внутренняя телефонная связь для диспетчеров осуществляется через
громкоговорители, которые имеют самое широкое применение в различных сферах
человеческой деятельности: в промышленности, транспорте, спорте, культуре,
сфере бытовых услуг. Например, в промышленности громкоговорители
используются для обеспечения громкоговорящей связи (ГГС), в сфере
транспорта – для экстренной связи, объявлений, в бытовой сфере – для
пейджингового оповещения, а также музыкальной фоновой трансляции.
Для обеспечения надлежащего качества громкоговоритель должен работать
громко и качественно - воспроизводить звуковой сигнал в допустимом
(слышимом) динамическом (85-120дБ) и частотном (200 -5000Гц) диапазонах.
В связи с изложенным выше разработка громкоговорителя для систем
коммутации речевой связи является актуальной задачей.
В главе 1 выпускной квалификационной работы, проводится обзор по теме
и анализ существующих схем построения громкоговорителей.
В главе 2 приводятся альтернативные варианты схемы электрической
структурной построения громкоговорителя.
В третьей главе разрабатывается схема электрическая функциональная
громкоговорителя для систем коммутации речевой связи.
В четвертой главе разрабатывается схема электрическая принципиальная
громкоговорителя.
В пятой главе приводится расчет надежности схемы громкоговорителя.
В шестой главе приводится технико-экономическое обоснование выпускной
квалификационной работы.
В седьмой главе раскрываются вопросы по охране труда и технике
безопасности.
Глава 1. ОБЗОР ПО ТЕМЕ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ПОСТРОЕНИЯ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
1.1. Системы коммутации речевой связи, как вариант применения
громкоговорителя.
Система коммутации речевой связи (СКРС) предназначена для:
- организации наземной громкоговорящей и телефонной связи, управления
радиосвязью с воздушными и наземными объектами;
- использования в составе систем управления воздушным движением и
обеспечения рабочих мест диспетчерского и административно-технического
центра управление воздушным движением (УВД).
СКРС применяются для организации оперативной речевой связи в центрах
УВД и для организации речевой связи предприятий и организаций других
ведомств, где имеется несколько различных средств связи и оперативного
управления (диспетчерские службы, центры управления, мониторинга и др.).
Структурная схема СКРС приведена на рисунке 1.1.
СКРС обеспечивает:
• управление радиосвязью с экипажами воздушных судов и наземными
объектами;
• оперативную громкоговорящую связь между диспетчерскими пунктами,
техническими и прочими службами центров УВД и аэропортов;
• оперативную громкоговорящую связь с удаленными объектами и смежными
диспетчерскими пунктами по междугородным каналам;
• телефонную связь.
Рис.1.1 Структурная схема СКРС
Громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический
звуковой сигнал на входе, в слышимый акустический сигнал на выходе и имеют
самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности: в
промышленности, транспорте, спорте, культуре, сфере бытовых услуг.
Например, в промышленности громкоговорители используются для обеспечения
громкоговорящей связи (ГГС), в сфере транспорта – для экстренной связи,
объявлений, в бытовой сфере – для пейджингового оповещения, а также
музыкальной фоновой трансляции.
1.2. Варианты построения громкоговорителей для систем.
Громкоговорители активно применяются в широкой сфере организационных
мероприятий по защите населения: в сфере безопасности – в системах
оповещения и управление эвакуацией (СОУЭ), в сфере гражданской обороны – в
локальных системах оповещения (ЛСО) и предназначены для непосредственного
(звукового) оповещения людей при пожаре и чрезвычайных ситуациях.
Чаще всего в системах применяются трансформаторные громкоговорители.
Это громкоговорители со встроенным трансформатором являются конечными
исполнительными элементами в проводных трансляционных системах, на базе
которых строятся системы оповещения о пожаре, локальные системы оповещения,
системы громкоговорящей связи. В таких системах реализован принцип
трансформаторного согласования, при котором отдельный громкоговоритель или
линия с несколькими громкоговорителями подключается к высоковольтному
выходу трансляционного усилителя. Передача сигнала в высоковольтной линии
позволяет сохранять величину передаваемой мощности за счет уменьшения
токовой составляющей, тем самым минимизировать потери на проводах.
В трансформаторном громкоговорителе осуществляется 2 этапа
преобразования. На первом этапе при помощи трансформатора происходит
понижение напряжения высоковольтного звукового электрического сигнала, на
втором этапе осуществляется преобразование электрического сигнала в
слышимый акустический звуковой сигнал.
На рисунке 1.1 изображена задняя часть корпусного настенного
трансформаторного громкоговорителя.
Корпус громкоговорителя в зависимости от области применения может быть
выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на
сегодняшний день является АВС пластик. Корпус необходим как для удобства
монтажа громкоговорителя, предохранения токоведущих частей от попадания
пыли и влаги, улучшения акустических характеристик, формирования
необходимой диаграммы направленности (ШДН). Понижающий трансформатор
предназначен для понижения высоковольтного напряжения входной линии
(153060120В или 2575100В) до рабочего
Рисунок 1.1. Задняя часть трансформаторного громкоговорителя
напряжения электродинамического преобразователя (динамика). Первичная
обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полная
мощность, 23 мощности, 13 мощности), что позволяет варьировать выходной
мощностью. Отводы маркируются и подключаются к клеммным колодкам. Таким
образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, Ом) – реактивным
сопротивлением (первичной обмотки трансформатора) зависящим от частоты.
Выбирая (зная) значение импеданса можно рассчитать мощность (p, Вт)
громкоговорителя при различных напряжениях (u, В) входной трансляционной
линии, как:
.
Клеммная колодка обеспечивает удобство подключения трансляционной
линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного
громкоговорителя.
Динамик – устройство для преобразования электрического сигнала на
входе в звуковой (слышимый) акустический сигнал на выходе. Подключается ко
вторичной обмотке понижающего трансформатора. В рупорном громкоговорителе
роль динамика выполняет драйвер, жестко скрепленный с рупором.
1.3. Классификация громкоговорителей
Возможный вариант классификации громкоговорителей представлен на
рисунке 1.2.
Громкоговорители для систем оповещения можно классифицировать по
следующим категориям:
1) По области применения,
2) По характеристикам,
3) По конструктивному исполнению.
Рисунок 1.2. Классификация громкоговорителей
1) Громкоговорители в зависимости от области применения и класса решаемых
задач можно дополнительно классифицировать по следующим признакам:
➢ по ширине амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
➢ по ширине диаграммы направленности (ШДН);
➢ по уровню звукового давления.
Классификация громкоговорителей по ширине АЧХ.
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители можно разделить на
узкополосные, полосы которых достаточно только для воспроизведения речевой
информации (от 200Гц до 5кГц) и широкополосные (от 40Гц до 20кГц),
применяемые для воспроизведения не только речи, но и музыки.
Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению – это
графическая или численная зависимость уровня звукового давления от частоты
сигнала, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного
поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра при
постоянном значении напряжения на выводах громкоговорителя.
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители могут быть узкополосными
и широкополосными.
Узкополосные громкоговорители, характеризуются ограниченным значением
АЧХ и, как правило, используются для воспроизведения речевой информации,
находящейся в диапазоне от 200...400 Гц –низкий мужской голос, до 5...9 кГц
– женский высокий голос.
Широкополосные громкоговорители характеризуются широкой АЧХ. Качество
звучания громкоговорителя определяется величиной неравномерности частотной
характеристики – разности максимального и минимального значений уровней
звукового давления в заданном диапазоне частот. Для обеспечения надлежащего
качества данная величина не должна превышать 10%.
Классификация громкоговорителей по ширине диаграммы направленности.
Ширина диаграммы направленности (ШДН) определяется типом и
конструкцией громкоговорителя и существенным образом от частотного
диапазона.
Громкоговорители с узкой ШДН называют узконаправленными (например,
рупорные громкоговорители, прожекторы). Преимуществом таких
громкоговорителей является высокое звуковое давление.
Громкоговорители с широкой ШДН называют широконаправленными (например,
акустические системы, звуковые колонны, корпусные громкоговорители).
Классификация громкоговорителей по звуковому давлению.
Громкоговорители можно условно различить по уровню звукового давления.
Уровень звукового давления SPL (Sound Pressure Level) — измеренное по
относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному
давлению 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной
звуковой волны частотой 1 кГц. Величину SPL называемую чувствительностью
громкоговорителя (измеряется в децибелах, дБ) следует отличать от
(максимального) уровня звукового давления, max SPL, характеризующего
способность громкоговорителя воспроизводить без искажений верхний уровень
заявленного динамического диапазона. Таким образом, звуковое давление
громкоговорителя (в паспортах обозначается как, maxSPL) по другому
называемое громкостью громкоговорителя и складывается из его
чувствительности (SPL) и электрической (паспортной) мощности (Р, Вт),
переведенной в децибелы (дБ), по правилу "десяти логарифмов":
.
Из данной формулы видно, что высокий или низкий уровень звукового
давления (громкости) в большей степени зависит не его электрической
мощности, а от чувствительности определяемой типом громкоговорителя.
Громкоговорители внутреннего исполнения, как правило, имеют maxSPL не
превышающее 100дБ, в то время как звуковое давление, например, рупорных
громкоговорителе может достигать 132дБ.
Классификация громкоговорителей по конструктивному исполнению.
Громкоговорители для трансляционных систем различаются по
конструктивному исполнению. В самом общем случае громкоговорители можно
разделить на корпусные (с электродинамическим громкоговорителем) и
рупорные. Корпусные громкоговорители в свою очередь можно разделить на
потолочные и настенные, врезные и накладные. Рупорные громкоговорители
могут отличаться формой раскрыва – круглые, прямоугольные, материалом –
пластик, алюминий.
Глава 2. Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
12 Разработка схемы электрической структурной громкоговорителя
Структурная схема — это совокупность элементарных звеньев объекта и
связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным
звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая
реализует элементарную функцию.
Элементарные звенья изображаются прямоугольниками, а связи между
ними — сплошными линиями со стрелками, показывающими направление действия
звена. Иногда в поле прямоугольника вписывают математическое выражение
закона преобразования сигнала в звене, в этом случае схему иногда
называют алгоритмичной.
В схемотехнике вместе со структурной различают также
принципиальную и функциональную схему. Среди всех этих схем структурная
наименее детализирована. Она предназначена для отражения общей структуры
устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей
между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное
устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют
его части. Обозначение структурной схемы могут быть достаточно свободными,
хотя некоторые общепринятые правила всё же лучше выполнять.
Как мы уже говорили выше громкоговоритель выполняет преобразование
электрического звукового сигнала на входе, в слышимый акустический сигнал
на выходе.
Структурная схема, приведенная на рис.2.1. состоит из следующих
блоков:
Головка электродинамическая;
Микросхема усилителя;
Стабилизатор напряжения;
Блок индикации;
Фильтр проходной;
Потенциометр.
Стабилизатор напряжения выполняет функцию регулирования напряжения
подаваемого от внешнего оборудования.
Микросхема усилителя звука выполняет функцию усиления входного
речевого сигнала для передачи на потенциометр и головку
электродинамическую.
Наличие речевой информации на входе громкоговорителя индицируется
блоком индикации.
Фильтр проходной предназначен для защиты от шумов возникающих в линии
на входе громкоговорителя.
Регулятор уровня сигнала предназначен для регулирования уровня
звукового сигнала на входе головки электродинамической.
Головка электродинамическая необходима для преобразования механических
колебаний в акустические.
15 Разработка альтернативной схемы электрической структурной
громкоговорителя
Возможен еще один вариант реализации устройства. Альтернативная
структурная схема устройства приведена на рис. 2.2. Принципиальное отличие
от первого варианта устройства является наличие дополнительно
трансформатора и еще одного проходного фильтра.
Первый вариант реализации громкоговорителя удовлетворяет техническому
заданию, и выполняет все возложенные функции, дополнительно использование
трансформатора не требуется, т. к. на входе громкоговорителя сигнал уже
подается в требуемом диапазоне звуковых частот. Поэтому первый вариант
структурной схемы будем использовать в качестве основного варианта
реализации.
Глава 3. Разработка схемы электрической функциональной
громкоговорителя.
3.1. Разработка схемы электрической функциональной громкоговорителя
После разработки схемы электрической структурной и проведенного
анализа технического задания появляется возможность выбора элементной базы
электронного устройства на функциональном уровне.
Схема электрическая функциональная — вид графической модели изделия.
Их использование и построение позволяет наглядно отразить устройство
функциональных (рабочих) изменений, описание которых оперирует любыми (в
том числе и несущественными) микросхемами, БИС и СБИС. Поскольку
функциональные схемы не имеют собственной системы условных обозначений, их
построение допускает сочетание кинематических, электрических и
алгоритмических обозначений.
В первую очередь необходимо определиться с тем, какие функциональные
части этого устройства могут быть построены на цифровых интегральных
микросхемах, и какие на аналоговых.
Особенность схемы функциональной заключается в том, что некоторые
части структурной схемы могут быть разделены на несколько функциональных
блоков, либо наоборот – объединены одним функциональным блоком. На рисунке
3.1. приведена схема электрическая функциональная громкоговорителя.
Основным элементом устройства является усилитель звука (D3). Функции
усилителя звука — усиление звука, поступающего с регулятора уровня сигнала
на вход головки электродинамического по линии и обеспечение высокого
качества звука.
Регулятор уровня сигнала (D1) выполняет функцию регулирования
уровня звукового сигнала на входе микросхемы усилителя звука.
Стабилизатор напряжения (D2) выполняет функцию регулирования выходного
напряжения подаваемого от внешнего оборудования с 12 В до
3,3 В.
Фильтр проходной (Z1) предназначен для фильтрации шумов, возникающих в
линии электропитания на входе громкоговорителя. Электропитание +12 В с
фильтра проходного поступает на микросхему стабилизатора напряжения.
Головка электродинамическая (ВА1) преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме усилителя звука в
акустические.
На блок индикации (HL1) выводится индикация наличия на выходе
микросхема усилителя звука речевой информации и индикацию изменения уровню
сигнала.
3.2. Принцип работы громкоговорителя
Входной речевой сигнал, поступающий с линии проходит фильтр верхних
частот, реализованный на базе RC фильтра (резисторы С1 и R1). Далее на
регуляторе уровня сигнала выставляется необходимый для комфортного
прослушивания уровень речевого сигнала.
Усилитель звука (микросхема D3) усиливает сигнал, коэффициент
усиления задается резисторами R2 и R3. Эта микросхема моно усилителя звука
класса D обеспечивает высокое качество и эффективную мощность звука.
Электропитание громкоговорителя осуществляется от двух номиналов
напряжения: 12 и 3,3 В. Для преобразования входного напряжения 12 В в
3,3 В на функциональной схеме показан стабилизатор напряжения (D2). Кроме
функции преобразования напряжения микросхема D2 на выходе предоставляет
номинальный выходной ток и всё это с точностью не хуже 1,5%. Обеспечение
точности выходного напряжения и тока осуществляется в том числе и за счет
конденсаторов С2 и С3 на выходе OUT стабилизатора напряжения.
На проходном фильтре (Z1) осуществляется фильтрация помех (шумов) по
линии электропитания на входе громкоговорителя от внешнего источника
электропитания, т.к. наличие шумов на громкоговорителе является
нежелательным для служб управления воздушным движением и они очень критичны
к качеству воспроизводимого сигнала.
Усиленный на микросхеме D3 речевой сигнал подается на головку
электродинамическую (ВА1), который преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме в акустические.
Отображение наличия речевого сигнала на выходе микросхемы усилителя
звука отображается на блоке индикации (HL1). Кроме этого на HL1 будет
индикация изменения уровню сигнала по амплитуде.
Глава 4. Разработка принципиальной электрической схемы
громкоговорителя.
4.1. Выбор и обоснование элементной базы громкоговорителя.
Разработка схемы принципиальной представляет собой более высокий
уровень синтеза электронного устройства (ЭУ), чем уровень синтеза
структурной схемы. В то время как структурная схема есть совокупность
формальных моделей функциональных частей электронного устройства,
принципиальная схема является совокупностью электрических моделей этих
частей.
Схема электрическая принципиальная определяет полный состав элементов
изделия и дает детальное представление о принципе работы изделия.
Принципиальная схема служит основой для разработки других конструкторских
документов — схемы соединений и расположения, чертежей конструкции изделия
— и является наиболее полным документом для изучения принципа работы
изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы и
устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных
электрических процессов, все электрические связи между ними, а также
электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи
(разъемы, зажимы и т.п.). Элементы изображают в виде условных графических
обозначений, установленных ГОСТ и ЕСКД.
Выбор и обоснование головки электродинамической
В качестве головки электродинамической выберем FR58-8Ohm VISATION.
Для выбора конкретной головки электродинамической необходимо:
1. определить номинальную и пиковую мощность головки электродинамической;
2. оценить частотную характеристику головки электродинамической;
3. определить сопротивление постоянному току;
4. оценить допустимые параметры условий эксплуатации (рабочая температура);
5. стоимость.
Головка электродинамическая FR58-8Ohm отличается очень линейной и
широкой частотной характеристикой и низкой резонансной частотой, что
позволяет использовать головку в различных сферах применения, в том числе
при производстве Hi-Fi оборудования. Основные технические характеристики
головки электродинамической приведена в таблице 4.1
Таблица 4.1. Технические характеристики FR58-8Ohm
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Номинальная мощность, Вт 10
2 Пиковая мощность, Вт 12
3 Частотная характеристика, Гц 120 – 20000
4 Номинальное звуковое давление,81
дБ
5 Сопротивление постоянному 7,3
току, Ом
6 Резонансная частота, Гц 190
7 Магнитная индукция, Тесла 1,4
8 Общая добротность Qts 0,98
9 Рабочая температура, °C -40 ... +100
10 Класс защиты IP64
11 Масса, кг 0,13
Выбор и обоснование стабилизатора напряжения
Для выбора и обоснования стабилизатора напряжения нам нужно определить
основные требования к нему:
- напряжение выходное;
- входное напряжение;
- ток выходной;
- точность;
- рабочая температура;
- корпус для поверхностного монтажа.
Для решения нашей задачи идеально подходит стабилизатор напряжения
LM1086IS-3.3 Texas Instruments, удовлетворяющий перечисленным выше
условиям, а именно входное напряжение, напряжение выходное, ток выходной и
точность.
Стабилизатор напряжения LM1086IS-3.3 – это серия регуляторов
напряжения с возможностью регулирования выходного напряжения используя два
внешних резистора. Они доступны для шести постоянных напряжений: 1,8 В; 2,5
В; 2,85 В; 3,3 В; 3,45 В и 5 В. Изготавливаются по без свинцовой
технологии.
Основные технические характеристики стабилизатора напряжения приведены
в таблице 4.2.
Таблица 4.2. Технические характеристики стабилизатора напряжения LM1086IS-
3.3
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Напряжение выходное, В 3,3
2 Ток выходной, А 1,5
3 Рабочая температура, °C -40 ... +125
4 Входное напряжение до 27
максимальное, В
5 Входное напряжение 2,6
минимальное, В
6 Выходное напряжение 27 ,5
максимальное, В
7 Выходное напряжение 1,25
минимальное, В
8 Точность, % 1,5
Схема подключения стабилизатора напряжения приведена на рисунке 4.1, а
типичные технические характеристики на рис.4.2.
Рисунок 4.1 Типичная схема подключения стабилизатора напряжения
LM1086IS-3.3
Рисунок 4.2. Типичные технические характеристики
Выбор и обоснование потенциометра PTR901-2015K-B502 Bourns
Для выбора и обоснования потенциометра нам нужно определить основные
требования к потенциометру:
- сопротивление;
- мощность;
- число поворотов;
- толерантность;
- габаритные размеры;
- наличие функции включениевыключение звука.
Для решения нашей задачи подходит потенциометр PTR901-2015K-B502
Bourns, удовлетворяющий перечисленным выше условиям, а именно
сопротивление, мощность и невысокая стоимость.
Потенциометры PTR901-2015K-B502 Bourns изготавливаются по
высококачественной технологии, свободны от содержания свинца и надежны.
Основные технические характеристики потенциометра приведены в таблице
4.3.
Таблица 4.3
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Производитель: Bourns
2 Серия: PTR90
3 Число поворотов: Одно
4 Вращение, градусов: 300
5 Резистивный материал: Карбон
6 Тип выводов: PCB
7 Длина ручки: 0.591" (15.00mm)
8 Диаметр ручки: 0.236" (6.00mm)
9 Сопротивление, Ом: 5k
10 Толерантность, %: ±20
11 Мощность (Вт): 0.05
12 Тип монтажа: Сквозное отверстие
13 Рабочая температура, °C -40 ... +100
Выбор и обоснование проходных фильтров
Для выбора и обоснования проходного фильтра нам нужно определить
основные требования к нему:
- тип фильтра;
- емкость;
- ток;
- напряжение.
Технические характеристики проходного фильтра NFE31PT222Z1E9L
приведены в таблице 4.4
Таблица 4.4
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Тип фильтра Фильтр низких частот
2 Емкость, pF 2200
3 Ток, А 6
4 Напряжение, В 25
5 Серия NFE31P
6 Корпус (размер) 1206 (3216 Metric)
Эквивалентная схема подключения проходного фильтра приведена на
рисунке 4.3, а характеристика вносимых потерь на рис.4.4.
Рисунок 4.3 Эквивалентная схема подключения проходного фильтра
Рисунок 4.4 Характеристика вносимых потерь на проходном фильтре
Схема принципиальная электрическая громкоговорителя приведена на
рисунке 4.5. Перечень элементов приведен в таблице 4.5.
Выбор и обоснование усилителя звука
Для выбора и обоснования усилителя звука нам нужно определить основные
требования к нему:
- напряжение питания;
- режим работы усилителя;
- выходная мощность;
- количество каналов;
- минимальная нагрузка;
- рабочая температура.
Для решения нашей задачи идеально подходит микросхема усилителя звука
MAX9768BETG+ MAXIM. Эта микросхема моно усилителя звука класса D
обеспечивает высокое качество и эффективную мощность звука со встроенным
регулятором громкости. Напряжение питания усилителя звука в диапазоне от
4.5 в до 14 В и может обеспечить до 10 Вт при нагрузке 8Ω (при напряжении
питания 14 В).
Работа в режиме расширения спектра уменьшает уровень электромагнитных
излучений, что позволяет устройству проходить испытание EMC с помощью
фильтров, феррит и кабеля длиной до 1м. Микросхема MAX9768 может быть
синхронизирована с внешним тактовым сигналом, что позволяет
синхронизироваться с несколькими усилителями класса D. Данные микросхемы
изготавливаются по без свинцовой технологии.
Основные технические характеристики стабилизатора напряжения приведены
в таблице 4.5.
Таблица 4.5. Технические характеристики микросхемы MAX9768BETG+ MAXIM
№ ппНаименование параметра, Значение
единица измерения
1 Напряжение питания, В от 4,5 до 14
2 Режим работы усилителя Класс D
3 Рабочая температура, °C -40 ... +85
4 Минимальная нагрузка, Ом 8
6 Выходное мощность на канал, Вт10
7 Количество каналов 1
Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+ приведена на
рисунке 4.5, а типичные технические характеристики на рис.4.6.
Рисунок 4.5 Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+
Рисунок 4.6 Упрощенная схема подключения микросхемы MAX9768BETG+ с
контролем уровня звука
Рисунок 4.7. Установка усиления
Внешние резисторы обратной связи предназначены для регулирования
коэффициента усиления MAX9768. Выходной каскад имеет внутреннее усиление
20дб в дополнение можно установить и внешнее усиление. Установить
максимальный коэффициент усиления можно с помощью резисторов RF и RIN (рис.
4.7) следующим образом:
Выбрать RF между 10кОм и 50 кОм. Обратите внимание, что
фактический коэффициент усиления микросхемы зависит от уровня громкости.
Входной конденсатор, , в сочетании с входным резистором перед
микросхемой MAX9768 образуют фильтр верхних частот, который предназначен
для удаления постоянного смещения от входного сигнала. Конденсатор по
переменному току позволит микросхеме усилителя автоматически смещать сигнал
до оптимального уровня.
Рисунок 4.6 Перечень элементов громкоговорителя
4.2. Принцип работы принципиальной электрической схемы громкоговорителя
На основе проведенного анализа технического задания, на основе
разработанной схемы структурной и схемы функциональной составляется схема
электрическая принципиальная.
Схема электрическая принципиальная приведена на рис. 4.5.
После включения электропитания на громкоговорителе (потенциометр RP1)
на соединитель Т1_ХР1, контакт 1 поступает речевой сигнал по линии и далее
на входной конденсатор, Т1_С1, в сочетании с входным резистором Т1_R1 они
образуют фильтр верхних частот, который предназначен для удаления
постоянного смещения со входного сигнала. Речевой сигнал лежит в диапазоне
от 0,3 до 3,4 кГц в системах речевой связи. Расчет фильтра верхних частот
выполнен для полосы частот выше 3,4 кГц.
Далее резисторами Т1_R1 и Т1_R3 выставляется коэффициент усиления на
микросхеме усилителя звука Т1_D1.
В качестве микросхемы D2 показанной на этапе разработки функциональной
схемы мы применили потенциометр RP1 PTR901-2015K-B502, который кроме
регулирования уровня сигнала позволяет отключать напряжение +12 В на входе
проходного фильтра Т1_Z2, т.е. можно еще и отключать электропитание самого
громкоговорителя. Сопротивление на потенциометре выбрано 5 кОм, мощность
0,05 Вт. Так как уровень напряжения речевого сигнала в системах речевой
связи лежит в пределах от 0,2 до 2,5 В. Ток в линии не более 10 мА. Т.е.
потенциометр достаточен для выполнения своих функций.
Микросхема Т1_D1 усиливает речевой сигнал поступающий на контакты 7 и
8, после фильтрации и с коэффициентом усиления определяемым по формуле
.
Электропитание микросхемы осуществляется напряжениями +12 В и 3,3 В.
Конденсатор Т1_С4 емкостью 1 мкФ предназначен для сглаживания напряжения
питания +12 В на контактах 3, 16 (PVdd) микросхемы.
С выхода Boot+ и OUT+ микросхемы Т1_D1 сигнал заводится на резисторы
Т2_R1...T2_R5 (которые обеспечивают необходимый уровень тока, не менее 15 мА,
для индикаторов T2_HL1...T2_HL10) и индикаторы единичные T2_HL1...T2_HL10, что
позволяет кроме отображения наличия речевого сигнала на выходе микросхемы
усилителя звука еще и изменение уровня сигнала по амплитуде (т.е. можно
увидеть наличие измененияпоявление речевого сигнала).
В цепи управления индикаторами используется маломощный
полупроводниковый диод BAV99W (Т1_VD1) компании Philips. Кремниевый
полупроводниковый прибор обладает высокой проводимостью и высокой скоростью
переключения. Максимальное постоянное обратное напряжение — 80V,
максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток составляет 0.2A,
минимальное прямое напряжение 1.25V. Корпус SOT-323 позволяет сэкономить
пространство печатной платы, поддерживая, тем самым, монтаж высокой
плотности.
Биполярный транзистор PZT2222AT1 MOTOROLA (Т1_VT1) в цепи управления
индикацией включен в ключевом режиме. При наличии речевого сигнала
необходимого уровня (ток на базе транзистора должен быть не менее 10 мА,
сопротивление на базе транзистора определяется резистором Т1_R4)
открывается транзистор и включается свечение единичных индикаторов
T2_HL1...T2_HL10.
В схеме принципиальной электрической (в отличии от функциональной
схемы) для фильтрации помех (шумов) по линии электропитания напряжение 3,3
В на входе микросхемы MAX9768BETG+ дополнительно применен фильтр проходной
Т1_Z1.
Электропитание на схеме громкоговорителя осуществляется от двух
номиналов напряжения: 12 и 3,3 В. Для преобразования входного напряжения 12
В в 3,3 В на схеме показан стабилизатор напряжения (T1_D2) Микросхема
LM1086IS-3.3 NSC. Конденсаторы Т1_С8 и танталовый электролитический Т1_С12
на выходе OUT стабилизатора напряжения обеспечивают точность выходного
напряжения и тока не хуже 1,5%. Номиналы указанных конденсаторов выбраны
исходя из рекомендаций приведенных в описании микросхемы LM1086IS-3.3 NSC.
На проходном фильтре (Т1_Z2) осуществляется фильтрация помех (шумов)
по линии электропитания напряжение +12 В на входе микросхемы T1_D2 от
внешнего источника электропитания.
Усиленный на микросхеме Т1_D1 речевой сигнал подается на головку
электродинамическую (ВА1), который преобразует механические колебания
сигнала поступающего после усиления на микросхеме в акустические.
4.3. Размещение громкоговорителей на столах
Кроме того, что нами разработан громкоговоритель обеспечивающий
выполнение требований технического задания одной из актуальных является
задача правильного выбора схемы расстановки громкоговорителей на рабочих
местах сотрудников службы управления воздушным движением. Правильным
размещением можно добиться хороших результатов – высокого качества
звучания, фоновой разборчивости, равномерного (комфортного) распределения
звука.
Для равномерного озвучивания помещения громкоговорители следует
устанавливать так, чтобы результирующие площади слегка перекрывали друг
друга. Необходимое количество громкоговорителей получается из отношения
величин озвучиваемой площади к площади, озвучиваемой одним
громкоговорителем. Расстановка громкоговорителей определяется геометрией
здания. Расстояние между громкоговорителями, или шаг расстановки,
определяют, исходя из областей покрытия. При неправильной расстановке
(превышении шага) звуковое поле будет распределяться неравномерно, в
некоторых областях будут наблюдаться провалы, ухудшающие восприятие.
4.4 Разработка 3 D модели громкоговорителя в программе Solidworks
SolidWorks – пожалуй, наиболее популярного инструмента для
инженерного проектирования и 3D моделирования. Именно в этом пакете
создается большинство технических деталей не только для 3D печати, но и для
других технических целей. Итак, SolidWorks представляет собой мощный
инструмент для 3D моделирования и автоматизированного проектирования
сложных изделий различного назначения. По сути, это полноценный набор для
конструирования изделий в цифровом виде, который содержит в себе множество
дополнительных инструментов, позволяющих производить над моделью
виртуальные технические испытания.
Результат проектирования ниже:
Вид спереди
Вид сбоку
Глава 5. Определение надежности
5.1. Определение понятия надежности
Наиболее важная задача, стоящая перед промышленностью, заключается в
выпуске высококачественной аппаратуры отвечающей требованиям стандартов.
Одним из основных показателей ее качества является надежность. Высокую
надежность аппаратуры можно обеспечить, уделяя ей должное внимание на
этапах проектирования. Опыт показывает, что если в период проектирования
аппаратуры вопросам надежности не уделено должного внимания, то последующее
повышение надежности в процессе производства потребует значительно больших
затрат времени и средств. В данном случае в процессе проектирования
необходимо учесть все факторы (внешние и внутренние), влияющие на
надежность прибора, так как он является измерительным прибором, работа
которого должна быть стабильной без погрешностей.
Надежность определяется, как свойство технического изделия выполнять
заданные функции в течение требуемого времени. Основным понятием теории
надежности является отказ, под которым понимают случайное событие,
нарушающее работоспособность изделия. Применительно к вычислительной
технике различают два вида отказов: устойчивые (собственно отказы) и
самоустраняющиеся (сбой, перемежающиеся отказы). Сбой возникает вследствие
одновременного неблагоприятного изменения нескольких параметров и
существует кратковременно. Перемежающиеся отказы могут возникать, например,
при плохом контакте в соединителе.
Надежность есть свойство аппаратуры сохранять свои выходные
характеристики (параметры) в определенных пределах при данных условиях
эксплуатации.
5.2. Критерии надежности
Критерием надежности назовем признак, мерило, по которому оценивается
надежность различных изделий.
К числу наиболее широко применяемых критериев надежности относятся:
- вероятность безотказной работы в течение определенного времени Р(t);
- средняя наработка до первого отказа Тср;
- наработка на отказ tср;
- частота отказов a(t);
- интенсивность отказов ((t);
- параметр потока отказов ((t);
- функция готовности KГ (t);
- коэффициент готовности КГ.
Характеристикой надежности будем называть количественное значение
критерия надежности конкретного изделия.
Критериями надежности данного изделия является:
- вероятность безотказной работы P(t);
- частота отказов a(t);
- интенсивность отказов ((t);
- средняя наработка до первого отказа Тср;
Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при
определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в
пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.
Расчет показателей надежности
В техническом задании выпускной квалификационной работы в качестве
показателя надежности задана вероятность безотказной работы, которая равна:
Р(40000)≥0,85
Для анализа этого требования проведем сначала ориентировочный расчет
надежности с номинальными режимами работы всех входящих в разрабатываемое
изделие деталей.
В первую очередь, определяем принадлежность разрабатываемого изделия
к тем или иным системам. ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
