Московский государственный институт электроники и математики
(технический университет)
Кафедра электронно-вычислительной аппаратуры
Оценка технико-экономической эффективности жизненного цикла виртуального генератора сигналов произвольной формы
(Курсовая работа по специализации: «управление жизненным циклом изделий»)
Исполнитель:
студент группы С-75
Серов Евгений
Аннотация
В данной работе рассматривается экономическая целесообразность проектирования виртуального генератора сигналов произвольной формы, рассмотрены аналоги, их характеристики и стоимость, стадии жизненного цикла проектируемого изделия.
Содержание
Аннотация. 2
Введение. 4
Характеристики объекта проектирования. 5
1 Назначение и область применения. 5
2 Обзор аналогов. 6
ВГ100. 8
Velleman PCG10, K8016. 9
Анализ предполагаемой структуры жизненного цикла изделия. 15
1 Внешнее проектирование. 15
2 Внутреннее проектирование. 15
3 Изготовление. 15
4 Эксплуатация. 16
5 Модернизация. 16
6 Утилизация. 16
Оценка технико-экономической целесообразности создания изделия. 17
Заключение. 18
Введение
Цель работы — отработка принципов оценки технико-экономической целесообразности создания новых изделий.
Задача работы — оценить технико-экономическую целесообразность создания изделий в соответствии с индивидуальным заданием; определить граничные условия, при которых создание изделия целесообразно.
Характеристики объекта проектирования
1 Назначение и область применения
При тестировании различных систем их разработчики должны исследовать поведение системы при подаче на ее вход как стандартных сигналов, так и сигналов, имеющих различные отклонения от нормы. В реальных условиях работы на систему могут действовать помехи, искажающие форму сигнала, и разработчику необходимо знать, как поведет себя устройство при тех или иных искажениях. Для этого ему необходимо либо моделировать помеху при прохождении стандартного сигнала, либо подать на вход искаженный сигнал, полученный при помощи генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ). Первый путь гораздо длительнее и дороже, поэтому чаще всего используется второй путь.
Генераторы сигналов произвольной формы используются также в случаях, когда для отладки и испытания устройств нужно подавать на их вход сигналы нестандартной формы, получение которых без использования таких генераторов крайне затруднено.
Среди основных параметров таких устройств можно выделить следующие:
· Частота дискретизации
· Разрядность ЦАП
· Количество точек на период (объем буфера)
· Диапазон изменения выходного сигнала
· Выходное сопротивление
· Коэффициент гармоник
· Интерфейс подключения к ПК
Технические характеристики генератора
· Частота генерируемого сигнала 0,0001…2200000 Гц
· Амплитуда выходного сигнала 0…10 В
· Постоянное смещение выходного сигнала -5…+5 В
· Выходной ток до 100 мА
· Количество отсчетов на период 8192
· Температурная относительная нестабильность частоты менее 10-5
1/ °С
· Долговременная относительная нестабильность частоты менее 10-5
1/1000
· Точность установки частоты 7*10-6
Гц
· Напряжение питания 10…12 В
· Потребляемая без нагрузки мощность 0,9 Вт
· Габаритные размеры платы генератора 125x100x15 мм
2 Обзор аналогов
ГСПФ-053
Назначение
Генератор сигналов ГСПФ-053 представляет собой прецизионный источник сигнала произвольной и специальной формы
и предназначен для автоматизированного исследования, настройки и испытания приборов и систем в промышленности, науке и образовании.
Отличительные особенности
· произвольная форма генерируемого сигнала
;
· частотный диапазон DC; 0,012Гц…10МГц;
· высокая точность установки амплитуды и частоты;
· низкий уровень гармоник (от 0.05%)
· амплитуда выходного сигнала ± 5В; ± 10В;
· работа под управлением компьютера
· USB интерфейс
Применение
Применима для управления стендами и технологическим оборудованием
. Имеется возможность загрузки предварительно записанного в файл сигнала.
Технические характеристики
| ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКА СИГНАЛА
|
|
| Частотный диапазон |
Постоянный уровень сигнала или от 0,012Гц до 10МГц при работе от встроенного тактового генератора |
| Точность задания частоты |
до 0.001% (зависит от диапазона частоты) |
| АМПЛИТУДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛА
|
|
| Амплитуда выходного сигнала Uxx |
0...±5В на нагрузке 50Ом, 0...±10В на холостом ходу |
| Погрешность установки частоты |
0.5% на 50Ом нагрузке |
| Выходное напряжение смещения |
± 10мВ при максимальном выходном сигнале |
| Выходной аттенюатор |
0…-42дБ (-6дБ, -12дБ,-24дБ) ± 0.2дБ |
| Выходное сопротивление генератора |
50Ом ± 5% |
| СИНУСОИДАЛЬНЫЙ СИГНАЛ
|
|
| Коэффициент гармоник |
не более0.05% на 100КГц и 200КГц |
| ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ СИГНАЛ (НА НАГРУЗКЕ 50 Ом)
|
|
| Длительность фронта/спада |
не более 25нс |
| Выброс |
не более 5% |
| Время установления |
45нс |
| Неравномерность вершины после времени установления 45нс |
2% |
| ПРОИЗВОЛЬНЫЙ СИГНАЛ
|
|
| Длина буфера |
2…262144 точки |
| Дискретность буфера |
2 точки |
| Частота встроенного генератора |
100МГц |
| Опорные частоты |
100МГц, 50МГц, 25МГц… …6,103515625КГц (15диапазонов) |
| Синтезатор частоты |
50МГц…100МГц через 0.25МГц |
| Амплитудная дискретность |
14бит (± 8192 уровней) |
| СИНХРОВЫХОДЫ
|
|
| Количество дополнительных выходов |
2 программируемых синхросигнала ТТЛ уровни |
| РЕЖИМЫ РАБОТЫ
|
|
| Режимы формирования сигнала |
Циклический, программный, однократный, однократный от внешнего запуска, циклический от внешнего запуска |
| ОБЩИЕ ДАННЫЕ
|
|
| Интерфейс |
USB 1.1 совместимый |
| Потребляемая мощность |
не более 10Вт (+12В, 0.8А) |
| Масса платы |
не более 275г |
| Габариты |
не более 140мм-120мм-36мм |
Цена
: 14000 руб.
ВГ100
| Технические характеристики
|
|
| Амплитудные: |
|
| Число выходных каналов |
1 |
| Выходное сопротивление каналов |
50 ± 2,5 Ом |
| Диапазоны выходного напряжения формируемых сигналов, не менее |
±3 В (±1,5 В) при работе на нагрузку 1 кОм (50 Ом)±8 В (±4 В) при работе на нагрузку 1 кОм (50 Ом) |
| Разрядность ЦАП |
14 бит |
| Разрешение по напряжению, не хуже |
диапазон ±3 В - 0,4 мВдиапазон ±8 В - 1 мВ |
| Параметры встроенного контрольного АЦП: |
|
| Диапазон входных напряжений |
±10 В |
| Разрядность |
14 бит |
| Частотно-временные: |
|
| Частота дискретизации сигналов |
0,25 Гц … 100 МГц |
| Время нарастания/спада, не хуже |
10нс |
| 2 встроенных аналоговых фильтра нижних частот: Баттерворта и Бесселя с частотой среза |
50МГц |
| Диапазоны частот формирования сигналов: |
|
| синусоидальной и треугольной формы |
0,1 Гц … 10 МГц |
| прямоугольной формы |
0,1 Гц … 50 МГц |
| Основная относительная погрешность установки частоты сигналов синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы |
±0,002 % во всем диапазоне частот |
| Емкость буферной памяти |
64Квыб |
| Синхронизация: |
|
| Режимы генерации: |
однократный и непрерывный |
| Режимы запуска: |
|
| внутренний |
однократный либо непрерывный |
| внешний |
однократный либо непрерывный |
| Дискретность установки переднего фронта выходного синхроимпульса |
50 пс |
| Временная неопределенность внешнего запуска |
10 нс |
| Прочие: |
|
| Интерфейс с компьютером |
PCI 33 МГц, 32 разр. |
| Потребление |
7 Вт |
| Размеры |
192х94х18 мм |
| Масса |
0,2 кг |
| Основные программно-функциональные характеристики: |
|
|
|
|
Цена
13806 руб
.
Velleman PCG10, K8016
Приставка PCG10 (рис. 6) подключается к IBM совместимому компьютеру, при этом экран компьютера используется как дисплей генератора. Генератор работает в среде Windows 95/98/NT/2000 с управлением прибором посредством мыши.
Рис. 6. Внешний вид приставки PCG10
Уникальная особенность генератора – его совместимость с ПК-осциллографами Velleman PCS64i и PCS500 для создания измерительного комплекса с расширенными возможностями отображения данных на дисплее.
Прибор поставляется в двух версиях: конструктора (К8016) (рис. 7), требующего минимальной сборки, и готового изделия (PCG10).
Рис. 7. Плата конструктора К8016
Генератор может быть подключен одновременно к осциллографу PCS64i (или PCS500) и IBM совместимому компьютеру через принтерный порт LPT1, 2 или 3 для проведения измерений и дальнейшей обработки данных на ПК. В таблице 4 приведены основные технические характеристики генераторов.
Основные технические характеристики генераторов
PCG10/K8016
Диапазон частот:0.01 Гц - 1 МГц
Источник питания: адаптер 12 В/800 мА (PS1208)
Разреш. при измер. частоты: 0,01%
Вертикальное разрешение: 8 бит (0.4 % от полной шкалы)
Диапазон амплитуды: 100 мВ - 10 В при нагрузке 600 Ом
Отклонение от нуля: от -5В до +5В max (0.4% от полн. шкалы)
Макс. частота дискретизации: 32 МГц
Коэффициент гармоник: менее 0,08%
Выходной импеданс: 50 Ом
Размеры: 235х165х47 мм
На рис. 8 представлено окно управления генератором. PCG10 имеет графический редактор с возможностью записи файла в память до 32 Кбайт, возможность создания индивидуальных форм сигналов.
Рис. 8. Окно управления генератором PCG10
Данный генератор имеет следующие функциональные возможности:
Кварцевая стабилизация частоты
Оптически изолирован от PC
Дополн. выход для синхронизации сигнала TTL уровня
Библиотека форм сигналов
Цена 6000 руб.
Из обзора видно, что 2 первых генератора имеют похожие характеристики (у первого больше буфер, у второго больше частота дискретизации) стоимость так же схожа. Последний экземпляр имеет характеристики хуже (частота дискретизации только 1МГц), но зато его цена в 2 раза ниже. Такой прибор можно использовать для проведения лабораторных работ и при проэктировании и ремонте РЭА, где не требуется высокая частота.
Цель - получить устройство с аналогичными данным аналогам характеристиками при меньшей цене изделия.
Структура комплекса ГСПФ
Программно-аппаратный комплекс генерации сигналов произвольной формы состоит из собственно генератора, подключаемого к ЭВМ через последовательный порт RS-232C, и программы управления генератором, работающей под Windows 95/98, Windows NT 4.0.
Структура аппаратной части генератора
Аппаратная часть выполнена в соответствии со структурой, приведенной на рис. 1. Единственное отличие состоит в том, что блок управления разработанного генератора подключен через блок сопряжения к ЭВМ. Из ЭВМ при помощи программы управления задаются форма и другие параметры сигнала.
Рис.
1. Типовая структура генератора сигналов произвольной формы
Блок управления
генератором построен на базе микроконтроллера AT89C52. Он принимает от ЭВМ команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Кроме того, генератор имеет SPI-подобный интерфейс для подключения управляющего устройства, отличного от ЭВМ. Наличие такого интерфейса позволит использовать генератор в составе мобильного компактного комплекса для снятия частотных характеристик, разработка которого ведется в настоящий момент.
Блок управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду сигнала. Данные о форме выходного напряжения также проходят через блок управления. Стандартные формы (пила, меандр, белый шум и синусоида) рассчитываются непосредственно микроконтроллером.
Усилитель сигнала
построен на малошумящем операционном усилителе MAX427 и позволяет получить выходной ток до 100 мА.
ЦАП постоянного смещения
AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных, позволяющий получить смещение сигнала в диапазоне от –5 В до +5 В с дискретностью 2,44 мВ.
ЦАП амплитуды
AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных. Позволяет задавать амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 0 до 10 В с дискретностью 2,44 мВ.
ЦАП
MX565A – быстродействующий 12-разрядный ЦАП с параллельным вводом данных. Время установления с точностью до половины младшего разряда не более 250 нс.
ОЗУ
UM6264 содержит цифровой образ формы. Форма хранится в виде 8192 12-разрядных отсчетов. Это позволяет получить выходной сигнал достаточно высокого качества.
Генератор фазового угла
построен на основе ПЛИС EPF8282 фирмы ALTERA.
Схема может работать в трех режимах:
· Нормальной генерации;
· Ждущем;
· Загрузки данных в блок ОЗУ.
В режиме нормальной генерации (на входе Mode
единица) регистр приращения фазы (РПФ) загружается из БУ значением, соответствующим частоте.
При нормальной генерации содержимое РПФ суммируется с младшими разрядами регистра фазы (РФ), и сумма записывается в РФ по приходу SI
. Тринадцать старших разрядов РФ подаются на адресные входы блока ОЗУ. Таким образом, частота переполнения РФ соответствует частоте генерируемого сигнала.
При ждущем режиме (на входе Mode
ноль) ГФУ ожидает прихода стробирующего сигнала на вход Strob
. По приходу этого сигнала генерируется сигнал с начальной фазы, записанной в регистре начальной фазы (РНФ), и до конца периода. После окончания периода ГФУ снова переходит в состояние ожидания строба.
При загрузке данных в ОЗУ они сначала последовательно записываются в регистр данных (РД), а затем, при подаче сигнала InRAMOE
, выставляются на входы данных блока ОЗУ. Это сделано для экономии числа используемых выводов микроконтроллера и упрощения топологии печатной платы.
Как видно из структуры ПЛИС, реализация такого операционного автомата на микросхемах малой степени интеграции потребовала бы большого количества разнотипных элементов (более 30 корпусов), что привело бы к увеличению габаритов и уменьшению надежности системы. Поэтому удобно применять ПЛИС.
Анализ предполагаемой структуры жизненного цикла изделия
Стадии проектирования виртуального генератора сигналов произвольной формы :
внешнее проектирование
внутреннее проектирование
изготовление (технологическая подготовка, освоение производства, серийное производство)
эксплуатация (поставка и хранение, ввод в эксплуатацию)
модернизация
утилизация
1 Внешнее проектирование
Определение требований к изделию на основе анализов функциональной взаимосвязи. Определение технического уровня в данной предметной области (цифровые осциллографы). Проведение патентных исследований, выявление аналогов. Определение фирм аналогов производителей аналогов (конкурентов). Выявление запатентованных технических решений, используемых в аналогах. Определение функциональных характеристик и критериальных значений. Выявление устойчивых тенденций развития техники. Прогноз параметров и технических характеристик конкурентного изделия на упреждающий срок.
2 Внутреннее проектирование
Разработка и отработка на опытном образце всего комплекса документации по всем необходимым видам обеспечения проектирования опытных изделий.
Виды обеспечений: нормативно правовое и организационно методическое обеспечение, информационно-лингвистическое обеспечение, конструкторское, техническое и технологическое обеспечение, математическое и программно-алгоритмическое обеспечение, метрологическое обеспечение.
На этом этапе на начальной стадии готовится теоритическая база задуманого датчика, т.е. проводятся все необходимые Научно-Исследовательские Работы (НИР) в этой области, затем проводятся Опытно-Конструкторские Работы (ОКР), которые начинаются с некоторого момента и ведутся параллельно с НИР. В результате формируется полный комплекс документаций по всем необходимым видам обеспечения и получается опытный отработанный образец. В частности к этим работам относятся (в порядке их выполнения):
· Исследование наиболее оптимального приципа работы устройства
· Поиск наиболее оптимальной элементной базы
· Окончательный расчет схемы
Примерная стоимость разработки 30 000 руб
· Написание программы для ПК ( 20 000 руб)
· Создается эскизный проект. Т.е. создаются макеты отдельных узлов датчика (см. структурную схему), работа каждого из которых проверяется по отдельности
· создается технический проект, т.е. обеспечивается взаимодействие всех созданных узлов и производится доработка макета всего устройства.
· разработка опытного образца (создается рабочий проект), который является копией конечного устройства. Производится доработка опытного образца
примерная стоимость 60 000 руб
На каждом этапе работ образуется некоторый комплекс документаций, который дорабатывается и расширяется на последующих этапах.
Итоговая стоимость разработки около 110 000 рублей
3 Изготовление
От 500 до 1000дм2
1,8 - 2,0 у.е за дм2
(www.aktor.ru), т.е. плата будет стоить примерно 90 рублей, (минимальная партия 200 плат)
MAX427 11,5 руб
AD7943 –25 руб
AD7943 –58 руб
MX565A – 63 руб
UM6264 – 45 руб
Корпус 40 руб (www.gainta.com)
Кабель интерфейсный (для подключ к ПК) 30 руб
Адаптер для питания схемы 40 руб
Итого 402,5 руб (детали+плата).
Монтаж деталей и сборка 500 руб
Запись диска (с учетом стоимости диска) 20 руб
Инструкция и упаковка 80 руб
Итого 1002,5 руб
4 Эксплуатация
Самовывоз заказчиком продукции. На всю продукцию гарантия 1 год от производителя. В случае поломки не по вине заказчика, экземпляр изделия отправляется в сервисную мастерскую на гарантийный ремонт.
5 Модернизация
Доработка устройства
6 Утилизация
Проводиться заказчиком.
Оценка технико-экономической целесообразности создания изделия
Устройство получается не сложным и имеет значительно меньшую стоимость, не плохие характеристики,
Заключение
В ходе работы было рассмотрено проектирование генератора сигналов произвольной формы, сравнение с аналогами.
Устройство имеет существенные недостатки в отличие от аналогов, чем и вызвана не целесообразность его проектирования.
При доработке схемы стоимость резко повышается приближаясь к цене аналогов. Список использованных источников
1. http://www.spin-it.com/Velleman/VellemanPCS500E.htm
2. http://www.spin-it.com/Velleman/Velleman%20PCG10E.htm
3. http://www.platan.ru/pdf/00205.pdf
4. http://www.platan.ru/pdf/00202.pdf
5. http://www.platan.ru/pdf/00206.pdf
6. http://www.signal.ru/generator/gs-053.htm
7. http://www.platan.ru/cgi-bin/qwery.pl/id=23017928&group=27910&pg=0&ec=KK8016PCG10.html
8.