Пример анализа существующих приборов и систем

В качестве примера рассмотрим анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования.

Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие задачи. Это схемы двухтактного преобразователя и считывания [2].

В схеме двухтактного преобразователя (рис. 1) выполняется интегрирование преобразуемого сигнала U_x в первом такте и отрицательного опорного напряжения –U₀₁ во втором. Первый такт длится фиксированное время, а длительность второго – прямо пропорциональна преобразуемой величине. Интегрирование входного сигнала в течение фиксированного времени первого такта позволяет подавлять помехи на входе, если длительность такта равна или кратна периоду сигнала помехи.

Временная диаграмма работы преобразователя представлена на рис. 2. С приходом короткого импульса «Пуск» устройство управления (УУ) подключает измеряемое напряжение ко входу интегратора, на выходе которого напряжение начинает линейно возрастать. Время интегрирования является постоянным и зависит от предела измерения входного напряжения.

Рис. 1. Функциональная схема двухтактного преобразователя

Во втором такте УУ переключает ко входу интегратора отрицательное опорное напряжение и его напряжение начинает линейно уменьшаться. Устройство сравнения (УС) определяет момент времени достижения нулевого уровня. За время T_x = t₃ – t₂ на вход двоичного счетчика (СТ) проходят прямоугольные импульсы от тактового генератора G.

Основные соотношения реализации метода определяются выражениями:

;(1)

;(2)

;(3)

.(4)

Рис. 2. Временная диаграмма метода двухтактного преобразования

Недостатком вольтметра двухтактного преобразования является сложность функциональной схемы и алгоритма его работы, требующая наличие сложного блока управления. В этом аналоге проектируемого устройства отсутствует возможность преобразования отрицательного входного напряжения и нет масштабного преобразования измеряемой величины.

Схема считывания (рис. 3) содержит источник опорного напряжения (ИОН), вырабатывающий уровни опорных напряжений U₀₁, U₀₂,…,U_0N; устройства сравнения УС₁, УС₂,…,УС_N; преобразователь кодов (ПКК), преобразующий единичный код Y в выходной двоичный код X.

Преобразование выполняется за один такт с появлением короткого одиночного импульса «Запись». В этот момент времени устройства сравнения выполняют преобразование разности входных сигналов в логические уровни
(0 или 1).

Рис. 3. Функциональная схема метода считывания

По сравнению с методом двухтактного преобразования метод считывания более сложен как для проектирования, так и для реализации в виде изделия ввиду сложности реализации ИОНа с большим числом уровней, соот-ветствующих единичным кодам измеряемой величины. Преимуществом представленного метода преобразования является высокое быстродействие вольтметров и аналого-цифровых преобразователей, построенных на основе данного метода.

Оба указанных устройства схожи и частично выполняют требования технического задания. В качестве еще одного устройства-аналога можно указать аналого-цифровой преобразователь, принцип действия которого основан на способе многотактного преобразования [3]. Однако устройство, построенное по такому способу, более сложное, чем двухтактный преобразователь, и предназначено для построения функциональных узлов очень высокой точ-ности, чего не требуется в задании.

Результаты патентного поиска, проведенного по данным официального сайта ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности» (ФИПС) приведены в прил. 2. В прил. 2 показан внешний вид описания изобретения устройства автоматического контроля исправности блоков электрической централизации (ЭЦ), предназначенного для измерения параметров электрического напряжения в устройствах железнодорожной автоматики.

За прототип устройства можно принять двухтактный преобразователь, наиболее близко удовлетворяющий основным требованиям задания, и затем добавить масштабный преобразователь входного напряжения, рассчитать параметры тактового генератора для обеспечения требуемого уровня погрешности восстановления входного напряжения.

4. СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

4.1. Виды электрических схем приборов

Согласно положениям ЕСКД, изложенным в нормативном документе СТП ОмГУПС-1.4-02, различают следующие виды схем приборов.

Схема структурная определяет основные функциональные части изделия (элементы, устройства, функциональные группы), их назначение, взаимосвязи; ее разрабатывают на стадиях, предшествующих разработке схем других видов, и используют для общего ознакомления с изделием. Графическое
построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей [1].

Схема функциональная разъясняет определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях или изделии в целом; ею пользуются для изучения принципов работы изделия, при его наладке, контроле и ремонте. Функциональные части и связи между ними изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.

Схема принципиальная (полная) определяет полный состав электрических элементов и устройств и связей между ними, элементов подключения входных и выходных цепей, дает характеристики элементов и детальное представление о принципах работы изделия. Ее используют для изучения принципов работы, при наладке, контроле и ремонте изделия, она служит основанием для разработки других конструкторских документов.

Схема соединений (монтажная) показывает соединение составных частей изделия и определяет провода, жгуты, кабели или трубопроводы, которыми осуществляются эти соединения, а также места их присоединений и ввода (разъемы, платы, зажимы и т. п.). Ее используют в первую очередь для разработки чертежей, определяющих прокладку и способы крепления проводов, жгутов, кабелей или трубопроводов, а также для осуществления присоединений и при контроле, эксплуатации и ремонте изделия.

Рассмотрим более подробно проектирование на функциональном уровне.