Введение

Задача курсового проекта – развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Целью курсового проекта является разработка цифрового ревербератора.

Ревербератор – устройство для создания искусственной реверберации (послезвучания после выключения источника звука).

Реверберация (reverberation - повторение, отражение). Получается путем добавления к исходному сигналу затухающей серии его сдвинутых во времени копий. Это имитирует затухание звука в помещении, когда за счет многократных отражений от стен, потолка и прочих поверхностей звук приобретает полноту и гулкость, а после прекращения звучания источника затухает не сразу, а постепенно. При этом время между последовательными отзвуками (примерно до 50 мс) ассоциируется с величиной помещения, а их интенсивность - с его гулкостью.

Ревербераторы используются в качестве функциональных узлов электромузыкальных инструментов и систем, процессоров эффектов, трансиверов Си-Би диапазона, являются частью оборудования студий и других помещений, а также работают как самостоятельные устройства.

Перечисленные выше приборы и системы создают цифровой звук, который при всех своих достоинствах не является идеальным. Реверберация является одним из способов обработки звуков.

Вспомним, какими были приборы реверберации в доцифровую эпоху. Наверное, самый старый способ создания искусственной реверберации - это комната-эхо. Основной недостаток использования комнаты-эха заключался в том, что регулировке поддавалось соотношение между прямым и реверберирующим сигналом при постоянном времени реверберации, определяемом свойствами самой комнаты. Кроме этого, получение искусственной реверберации таким способом было связано с необходимостью оборудовать специальное дополнительное помещение с хорошей звукоизоляцией. Эта необходимость исключается при использовании ревербераторов.

Для создания искусственной реверберации использовались приборы трех типов: ленточные (магнитные), листовые, пружинные и цифровые.

Характер реверберации, создаваемый ленточным ревербератором, далек от естественного.

Листовой ревербератор более приближает картину затухания к естественной. Изменение времени реверберации производится механическими средствами.

Пружинный ревербератор по принципу действия наиболее близок к листовому, но в нем задержка затухания колебательного процесса достигается за счет металлической пружины.

Цифровые ревербераторы являются наиболее перспективными в настоящее время. Современные достижения микросхемотехники и микропроцессорной техники позволяют создавать высококачественные цифровые ревербераторы с большими технологическими возможностями при сравнительно небольших размерах.

Разрабатываемый цифровой ревербератор прост в изготовлении и налаживании, в нем отсутствуют дефицитные радиоэлементы. Особенность устройства – отсутствие АЦП и ЦАП. На пути к упрощению конструкции используется широтно-импульсная модуляция вместо дельта-модуляции.

1 Расширенное техническое задание

Наименование изделия: цифровой ревербератор.

Назначение изделия: цифровой ревербератор применяется в качестве функционального узла электромузыкальных инструментов и систем, процессоров эффектов.

Технические требования:

0. условия эксплуатации:

температура, ⁰С 0 … +35;

влажность воздуха, % 50 … 70 при 25 ⁰С;

0. портативная аппаратура;

1. транспортирование любыми видами транспорта в упакованном виде;

2. для защиты от помех использовать заземление и экранирование;

   Требования надежности:

   - наработка на отказ 10-15 тыс. часов;

3. интенсивность отказов 10^-7-10^-9 ч^-1;

Конструктивные требования:

0. использовать интегральную и дискретную элементную базу;

1. форма и размеры конструкции определить в процессе проектирования;

2. использовать печатный и объемный монтаж;

3. органы коммутации вынести на панель;

4. окраска - любой цвет.

   Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

5. сборочный чертеж – А2;

6. схема электрическая принципиальная – А2;

7. печатная плата – А1;

8. печатный узел – А2.

Предполагаемые характеристики устройства:

Потребляемый ток, мА 30

Напряжение питания, В 5

Время реверберации, с 0.1…0.2

Диапазон звуковых частот, Гц 20…16000

2 Анализ технического задания, оценка элементной базы

2.1 Сравнительный анализ аналогов по техническим характеристикам

Аналогами проектируемого устройства являются цифровой ревербератор ЕМТ-251 [1] и цифровой ревербератор [2].

В устройстве [1] используются 16-разрядные АЦП и ЦАП. Исходный аналоговый сигнал с помощью АЦП преобразуется в цифровую форму, цифровой сигнал проходит соответствующую временную обработку, прореверберированный сигнал с помощью ЦАП вновь преобразуется в аналоговую форму, и этот сигнал через соответствующий усилитель поступает на выход для подмешивания к основному сигналу.

Технические характеристики [1] приведены в таблице 1.

Аналог [2] основан на принципе адаптивной дельта-модуляции. Входной сумматор складывает входной сигнал с частью задержанного, что позволяет получить эффект многократного отражения звука. Модулятор преобразует его в цифровую последовательность, которую N-разрядный регистр сдвига задерживает на время t_зад. Демодулятор восстанавливает из цифровой последовательности исходный аналоговый сигнал.

Технические характеристики [2] приведены в таблице 1.

В проектируемом цифровом ревербераторе отсутствуют АЦП и ЦАП. На пути к упрощению конструкции применяется широтно-импульсная модуляция вместо дельта-модуляции.

Технические характеристики проектируемого устройства приведены в таблице 1.

Из сравнения технических характеристик аналогов и проектируемого прибора видно, что наибольший диапазон звуковых частот у проектируемого ревербератора, он также обладает меньшим временем реверберации.

Аналог [2] имеет два источника питания, что весьма неудобно, у проектируемого устройства один источник питания на 5В.

Проектируемый цифровой ревербератор имеет элементную базу в 2 раза меньше, чем аналог [2], что позволяет уменьшить массо-габаритные размеры проектируемого прибора.

Таблица 1 - Сравнение аналогов ревербератора

Технические характеристики	Название
	[1]	[2]	Проектируемое устройство
Время ревербера- ции, с	0.4 … 4.5	0.33 … 0.66	0.1 … 0.2
Диапазон звуковых частот, Гц	30 … 14800	20 … 14000	20 … 16000
Напряжение питания, В	-	12 и 2 по 5	5
Потребляемый ток,мА	-	30	30
Входное сопротивление, кОм	5	50	-
Выходное сопротивление, Ом	60	2000	-
Масса, кг	45	-	-

2.1 Анализ элементной базы

В проектируемом устройстве применяется интегральная и дискретная элементная база.

Интегральные схемы:

К157УД2 – интегральная схема, изготовленная по полупроводниковой технологии, является операционным усилителем универсального назначения. Обладает низким уровнем собственных шумов и большим диапазоном входных дифференциальных напряжений с защитой выхода при коротком замыкании.

КР142ЕН5А - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии в пластмассовом корпусе, является стабилизатором напряжения с фиксированным входным напряжением и защитой от перегрузок по току.

К555ЛН1 - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, представляет собой 6 логических элементов НЕ.

К561ИЕ10 - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, представляет собой 2 четырехразрядных счетчика.

К555КП11 - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, является мультиплексором.

К565РУ5Г - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, представляет собой динамическое ОЗУ с емкостью 64 Кбит и временем выборки адреса 120 нс.

К555ТМ2 - интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии представляет собой два D-триггера.

Резисторы МЛТ-0.125 – металлопленочные лакированные теплостойкие, постоянные, непроволочные, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока, рассеиваемая мощность 0.125 Вт.

Диод КД522Б – кремниевый импульсный маломощный диод,

Конденсаторы:

К50-6 – конденсатор постоянной емкости, полярный, оксидный, предназначен для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока.

К10У-5 – конденсатор постоянной емкости, керамический на номинальное напряжение ниже 1600В.

КЛС – конденсатор постоянной емкости , керамический, предназначенный для работы в цепях постоянного и переменного токов и в импульсных режимах.

Дроссель самодельный, его наматывают на резисторе МЛТ-0.125 сопротивлением более 30 кОм, число витков – 50, диаметр провода – 0.15 мм. Возможно применение дросселя типа Д-0.1 индуктивностью 20…200 мкГн.

Технические условия и характеристики элементной базы приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Технические условия и характеристики элементной базы

Название элемента	Характеристики
	Напряжение питания, В	Диапазон температур, ^0С	Влажность воздуха, %
Интегральные схемы
К142	5	-45 … +100	98% при 25 ^0С
К157	5	-50 … +110	98% при 25 ^0С
К555	5	-60 … +125	98% при 25 ^0С
К561	5	-60 … +125	98% при 25 ^0С
К565	5	-60 … +125	98% при 25 ^0С
Резистор МЛТ-0.125		-60 … +70	98% при 20 ^0С
Диод КД522Б		-55 … +85	98% при 25 ^0С
Конденсаторы
К50-6		-40 … +70	98% при 35 ^0С
К10У-5		-50 … +80	98% при 35 ^0С
КЛС		-60 … +85	98% при 35 ^0С
Дроссель		-35 … +60	98% при 25 ^0С

Сравнивая условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что проектируемое устройство можно эксплуатировать при следующих условиях:

Температура, ⁰С -40 … +70

Влажность воздуха, % 98% при 20 ⁰С,

что соответствует требованиям технического задания.

Элементами коммутации проектируемого ревербератора являются соединители цилиндрические резьбовые (БРО.364.082ТУ11-84). Выполняются на напряжение до 500 В при частоте до 3 МГц при силе тока до 20 А.

Вилка ОНЦ-РГ-09-5/18-В1 БРО.364.082ТУ11-84.

Розетка ОНЦ-РГ-09-5/18-Р12 БРО.364.082ТУ11-84.

Цифровой ревербератор представляет собой блок, состоящий из одного модуля.

Связь модуля с органами коммутации осуществляется объемным монтажом.

3 Разработка конструкции РЭУ

3.1 Предварительная разработка конструкции устройства

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе «Расширенное техническое задание». Объем устройства должен быть минимален, а коэффициент заполнения – максимален. Помимо этого конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов. Наконец должно обеспечиваться удобство ремонта и эксплуатации разрабатываемого РЭУ.

На данном этапе проанализируем два варианта компоновки проектируемого устройства. Варианты отличаются расположением разъема, осуществляющего ввод в блок внешних электрических цепей.

Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1а. Второй вариант компоновки приведен на рисунке 1б.

Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства приведен в пункте 4.1. Из расчета видно, что первый блок более оптимальный по площади наружной поверхности. Кроме того, первый вариант компоновки имеет меньший объем блока и больший коэффициент заполнения объема, чем второй вариант. Следовательно, целесообразно остановить выбор на первом варианте компоновки блока. Последний и является исходным для дальнейшей разработки конструкции.

В проектируемом устройстве используется два вида монтажа – объемный и печатный. Связь между элементами, расположенными на печатной плате, осуществляется печатным монтажом. Связь между печатной платой и разъемом, осуществляющим ввод в блок внешних электрических цепей, осуществляется объемным монтажом.

Цифровой ревербератор необходимо предохранять от пыли, воды и механических воздействий. Для этого применяется частичная герметизация устройства с помощью пластмассового корпуса.

Устройство имеет форму прямоугольного параллелепипеда размером 90´105´33 мм, внутри которого расположена печатная плата размером 80´90 мм. На задней панели корпуса имеется разъем для ввода в блок внешних электрических цепей.

3.2 Окончательная разработка конструкции

Корпус устройства имеет форму прямоугольного параллелепипеда и изготовлен из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ6-05-40-80 методом прессования под давлением. Толщина стенок корпуса 1.5 мм. Корпус состоит из основания и верхней крышки, которые соединяются с помощью винтов и резьбовых втулок диаметром 5 мм. Последние выполнены за единое целое с крышкой. Ножки выполнены за единое целое с основанием и имеют отверстия для винтов.

Основание и верхняя крышка устройства соединяются с помощью винтов М2-6g´20.12Н ГОСТ 1478-84, которые ввинчиваются в резьбовые втулки. Печатная плата устанавливается на резьбовые втулки, выполненные за единое целое с основанием корпуса и крепится винтами М2-6g´5.12Н ГОСТ 1478-84. Разъем крепится к панели болтами М3´1.25-6g´10.109.40Х.0.54 ГОСТ 7805-70, гайками М3´1.25-6Н.5 ГОСТ 15521-70 и шайбами 3.2. 01. 05 ГОСТ 11872-70.

Связь между радиоэлементами осуществится печатным монтажом, электрические соединения выполняются с помощью пайки припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76 с флюсом ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200. Число слоев печатной платы – два (ДПП), метод изготовления печатной платы – комбинированный позитивный, материал для изготовления – стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1.5 ГОСТ 10316-78, размер печатной платы 80´90 мм.

Соединение выводов печатной платы с органами коммутации осуществляется объемным монтажом - проводом МПО 0.35 ТУ 16-505.339-79 с полихлорвиниловой изоляцией. Жгут вязать капроновой крученой нитью 3К ОСТ 17-330-84. Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой 305-ТВ-40-1.0 ГОСТ 19034-82 длиной 15 мм.

Корпус устройства может быть любого цвета. Окраска производится путем добавления к массе полистирола соответствующего красителя при прессовании корпуса.

Для защиты от атмосферных воздействий печатная плата покрывается бесцветным лаком УР-231.

Номера проводов маркируются на полихлорвиниловых трубках краской ТНПФ-01.