Шифратор голосовых телефонных сообщений

Рисунок 2.13 Коэффициенты усиления (дБ) фильтров 2+3 и 1+2+3+4 при Кп = 4 

      Как видно из графиков на рис. 2.13 и табл. 1.1, общее затухание фильтра А4 на частоте f₀ составляет –46дБ (в 200 раз), а неравномерность АЧХ – 8дБ. Для выведения АЧХ до уровня ±4дБ относительно усиления 0дБ необходимо усилить сигнал на 49дБ (в 282 раза).

      Среднее усиление каскада будет:

      Выберем коэффициент передачи первого фильтра (табл. 2.1) К₁ = 3, коэффициент передачи второго – К₂ = 5, коэффициент передачи третьего – К₃ = 5, а коэффициент передачи четвертого – К₄ = 4. Суммарное усиление составит:

К = К₁ · К₂ · К₃ · К₄ = 3 · 5 · 5 · 4 = 300 (49,5дБ)

      АЧХ полосового фильтра А4 с выбранными коэффициентами передачи приведена  на рис. 2.14.

Рисунок 2.14 АЧХ полосового фильтра А4 

      Электрический расчет фильтров 

      Все расчеты будут проводиться по методике, изложенной в [7]. Произведем расчет биквадратных фильтров №2 и  №3 (рис. 2.4).

1. Q₂ = 62, Q₃= 76, f₀₂ = 12400Гц, f₀₃ = 15300Гц, К_п2 = К_п3 = 5.
2. Вычисляем G:

G = Q/К_п

             G₂ = Q₂ /Кп = 62/5 = 12,4

             G₃ = Q₃ /Кп = 76/5 = 15,2

3. Выберем емкость С1 = С2 = 430пФ. Вычисляем R1:

             

             

4. Вычисляем R3:

             

             

5. Положим R = R2 = R5 = R6 = R8 = R9. Вычисляем R:

             

             

6. Вычисляем R4 и R7:

R7 = 0,5·R5

             

             

             R7₂ = 0,5·29,85·10³ = 14,93 кОм

             R7₃ = 0,5·24,19·10³ = 12,1 кОм

Выберем сопротивления R1, R3, R4 и R7 из ряда Е24. R1₂ = R1₃ = 360 кОм, R3₂ = 1,8 МОм, R3₃ = 1,8 МОм, R4₂ = 27 кОм,  R4₃ = 22 кОм, R7₂ = 15 кОм, R7₃ = 12 кОм. Сопротивления R из ряда Е48. R₂ = 30,1 кОм, R₃ = 24,3 кОм. 

      Произведем  расчет фильтров №1 и №4 (рис. 2.5).

1. Q₁ = Q₄= 12, f₀₁ = f₀₄ = 13770Гц, К_п1 = 3, К_п4 = 4.
2. Проверим, сможет ли ОУ К1401УД2А работать в этом фильтре:

А > 2Q²

             A > 2·12² = 288

             Из графика [16] видно, что ОУ работает на границе усиления.

3. Q < 15, К_п < 2Q² (4 < 288)
4. Выберем емкость С1 = С2 = 430пФ. Вычисляем R1:

             

             

5. Вычисляем R2:

             

             

6. Положим R = R3 = R4. Вычисляем R:

             

7. Проверим  К_п по формуле:

К_П = R/2R1

К_п1 = 645/2·107 = 3,01 К_п4 = 645/2·80,6 = 4

      Выберем сопротивления R1 и R4 из ряда Е24. R1₁ = 110 кОм, R1₄ = 82 кОм, R4₁ = R4₄ = 620 кОм. Сопротивления резисторов R2 и R3 из ряда Е96. R2₁ = 1,13 кОм, R2₄ = 1,15 кОм, R3₁ = R3₄ = 649 кОм. 

      Расчет  генераторов G1 и G2 (рис. 2.9, а) 

      Выходная  частота сигнала на выходе генератора вычисляется по приближенной формуле [17]:

f ≈ 0,7 /RC

      Выберем емкость конденсатора С = 430 пФ, тогда сопротивление резистора R будет примерно равно:

R ≈ 0,7 /fC

      R₁ ≈ 0,7/(15700·430·10^-12) ≈ 103 кОм

      R₂ ≈ 0,7/(12000·430·10^-12) ≈ 136 кОм

      Выберем сопротивления R из ряда Е24. R₁ = 100 кОм, R₂ = 130 кОм. Точное значение этих сопротивлений подбирается при настройке прибора. 

      Источник  питания – две литиевые батареи по 3В – CR2032. 

      Принципиальная  схема шифратора телефонных сообщений приведена на рис. 2.15 и чертеже ЦТРК 467752.001.Э3. 

 

      

3. Конструкторско-технологический раздел

1. Требования  к конструкции  корпуса

• Корпус  шифратора должен быть ударопрочным.
• Шифратор должен быть устойчивым к внешним воздействиям: ударам, влаге и вибрациям.
• Корпус шифратора должен иметь минимальные габариты и вес.
• Шифратор должен быть размещен на одной печатной плате размером 85х50мм из фольгированного текстолита.

 

      Конструкция устройства представляет собой небольшой  блок с выносными микрофонами  и телефонами. Одна пара микрофон-телефон крепятся на трубке телефонного аппарата путем непосредственного прижима, другая – одевается на голову абонента.

      Корпус  шифратора изготовлен из ударопрочного полистирола черного цвета и состоит из двух частей коробчатого типа, скрепляемых одним винтом.

      Внутри  корпуса располагается печатная плата. На корпусе крепится светодиод индикации включения питания, выключатель питания, разъемы для подключения телефонов и микрофонов.

      Печатная плата изготовлена из фольгированного стеклотекстолита марки СФ2-35-1,5 толщиной 1,5мм и размером 85х50мм. Плата изготавливается фотохимическим методом с металлизацией отверстий. Шаг координатной сетки выбран минимальным 0,625 мм из-за шага расположения выводов бескорпусных элементов. Монтаж выполнен преимущественно поверхностный.

      Для повышения влагоустойчивости шифратора плата покрыта тремя слоями лака УР231, с отдельной сушкой каждого слоя в термошкафу при температуре  60-80°С. Покрытие лаком осуществляется после регулировки и сдачи ОТК изделия.

      Для соединения батареей питания, светодиодом и выключателем используется проводной монтаж. Провод типа МГШВ 0,12.

2. Последовательность  изготовления печатной платы фотохимическим методом

      Изготовление  заготовок фольгированного текстолита из листа 1000 х1500мм путем резки листов текстолита дисковыми фрезами D = 100мм и толщиной b = 3мм.

      Режим резания: скорость резания V=100-120м/мин, подача S = 0,4-0,5мм/об Выполнение базовых отверстий диаметром d = 4^+0,025 мм. Стойкость сверла из стали Р9 или Р18 составляет 12-30 мин.

      Подготовка поверхности фольгированного текстолита к нанесению фоторезиста. Процесс заключается в механической и химической зачистке медной фольги и состоит из: зачистки фольги влажным наждачным порошком, промывки в проточной воде, обработки фольги в 5-7% растворе соляной кислоты в течение 30сек, промывки струёй воды.

      Нанесение фоторезиста, приготовленного на основе поливинилового спирта, поливом на поверхность фольги с центрифугированием и сушкой Режимы нанесения светочувствительного слоя. Скорость вращения центрифуги 80-100об/мин; температура сушки 35-40°С.

      Фотоэкспонирование  защитного изображения печатных проводников производят в копировальной  рамке в течении 8-9мин. Проявление позитивного защитного рисунка  печатных проводников осуществляют теплой водой 40-50°С в ванне с ультразвуковыми колебаниями.

      Задубливание  защитного слоя производят путем  химического (в растворе 3%-го хромового  ангидрида) и термического (при температуре 60°С) дубления позитивного защитного  рисунка печатных проводников.

      Травление. Удаление меди с незащищенных участков фольги осуществляют в травильном агрегате типа КТ-3 в течение 15-18мин Обработкой платы водным раствором хлорного железа с последующей промывкой в проточной воде.

      Удаление  задубленного слоя производят обработкой печатных плат в 5%-м растворе соляной кислоты в течение 10-15мин. Промывкой в проточной воде и последующей сушкой платы в термостате при температуре 40°С Покрытие проводников сплавом Розе (32% Pb, 16% Sn, 52% Bi)

      Сверление монтажных отверстий диаметром  dl = 0,6^0,12 мм и d2 = 0,8^0,12 мм. Режим резания: скорость резания V = 100-120м/мин, подача S = 0,05-0,1 мм/об.

3. Трассировка печатной платы

 

      Разработка  печатной платы производилась с  помощью программного обеспечения  компании MicroCode Engineering. Чертеж электрической принципиальной схемы производился в среде CircuitMaker 6.0, а печатная плата была трассирована в среде TraxMaker 3.0 Pro.

      В ходе ввода принципиальной схемы  и трассировки печатной платы были созданы новые компоненты (макро-устройства) отечественного производства с требованиями [18-20].

      Программа CircuitMaker 6.0 позволяет вводить рисунок принципиальной схемы, проводить его динамическое моделирование в случае цифровой схемы и статическое моделирование в случае аналоговой или смешанной схем. Есть возможность экспорта схемы и всех графиков в графический (векторный) формат. Позволяет создать лист контактных соединений с указанием корпусов элементов. Производит автоматическую нумерацию элементов (правда слева направо и снизу вверх, но может быть, я не знаю, где это поправить). Позволяет эмулировать неисправности для возможности обучения схемотехнике (при этом имеет защиту паролем). Очень наглядно представлены исполнительные устройства (есть анимация). Имеются горячие клавиши для вызова компонентов (весь алфавит с большими буквами). Интегрируется с программами трассировки печатных плат для передачи данных (листа соединений и типов корпусов) элементов. В комплект версии 5.0 прилагается удобный Help (презентация основных функций). Есть более свежая версия CircuitMaker 2000, но по причине отсутствия пароля к установке, я не могу ничего о ней сказать.

      Программа TraxMaker 3.0 Pro производит трассировку печатной платы (до 8 слоев), вывод на плоттер, фрезерный станок, принтер. Позволяет кроме обычного представления рисунка выводить зеркальное, негативное и масштабируемое изображение, при этом можно активизировать каждый слой отдельно. При печати в файл, получается текстовый файл *.prn. Этот файл можно редактировать в любом векторном редакторе (я использую Corel). Имеется возможность конвертировать данные о плате в формат программного пакета Protel. После завершения разводки можно осуществить проверку на короткое замыкание, обрыв или минимальные расстояние (между дорожками или контактами). Трассировку можно осуществлять как вручную, так и автоматически. Применяются различные алгоритмы трассировки (можно активизировать каждый отдельно). В комплект версии 2.0 также прилагается Help в виде презентации основных функций. В целом, пакет легок в освоении и удобен в пользовании, но есть одно упущение разработчиков - автоматическая расстановка компонентов производится вслепую (отсутствует оптимизация).