|
Реферат: Блок возбуждения для ВТП (Радиоэлектроника)
Техническое задание к курсовому проекту.
Разработать:
Блок возбуждения для дефектоскопии плоской поверхности ферромагнитных объектов.
Устройство включает в себя :
1. Генератор дискретной (синусоидальной) частоты с параметрами:
макс. диапазон частот:1КГц-2,5МГц (рабочий диапазон частот задает оператор в пределах максимального); ток: 10 мА; число дискретов в диапазоне: от 10 до 20; коэффициент гармоник не более 1 % :
2. Нагрузкой для генератора служит катушка размещенная на объекте контроля:
число витков возбуждающей катушки: 20; число витков измерительной катушки: задается оператором от 10 до 20; диаметр возбуждающей катушки: от 4 до 20 мм; диаметр измерительной катушки: задается оператором от 4 до 20 мм; длина катушек: от 2 до 15 мм:
Свойства объектов контроля: m=1-10; s=5-10 MCм/м; Площадь контролируемого участка S=5 см2;
Основные технические характеристики и условия эксплуатации:
. габариты: 100х50х100 (мм); . масса: не более 0,3 кг; . диапазон рабочих температур: от 5 до 45 оС; . влажность: от 30 до 90%; . давление: от 700 до 800 мм.рт.ст.;
1.Введение.
Вихретоковые методы контроля основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки. Синусоидальный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на измерительную катушку преобразователя, наводя в ней ЭДС или изменяя ее полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него. Особенность вихретокового преобразователя в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля. Одна из особенностей ВТМ состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Однако им свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Сильное влияние на полученные результаты оказывают нелинейные искажения сигнала, подаваемого на задающую катушку. Для обеспечения универсальности, установка начальных условий, а также обработка полученной информации современных преобразователей должна осуществляться при помощи компьютеров, тогда каждый режим работы преобразователя будет обрабатываться отдельной программой. В данной работе разрабатывался генератор синусоидального сигнала для накладного вихретокового преобразователя, амплитуда тока в котором порядка 10 мА, а нелинейные искажения порядка 1%. Частота сигнала должна задаваться программным путем, с использованием микропроцессорной техники.
Ниже приводятся типы уже существующих преобразователей:
|Тип |Частота тока |Скорость |Объект контроля |Вид дефекта | | |возбуждения, кГц|контроля | | | |ВД-30П |4; 16; 64; 300 |0,5-3 |Ферро- и |Трещины, раковины, | |ВД-31П | |0,5-4 |неферро-магнитные|плены и т.д. | | | | |прутки | | | | | |и трубы 1-47 мм | | |ВД-23П |130; 1000; 20000|0,5-5 |Проволока |Расслоения, трещины| | | | |0,02-5мм | | | | | | |заусенцы | |Дефектомат |0,2; 2,5; 10; |1,2; 5; |Трубы и прутки |Трещины, раковины, | |2.189 |30; 90 |15 |3-135 мм |плены |
2. Структурная схема разрабатываемого устройства.
. БВ - блок возбуждения; (нужно разработать в этом семестре) . ВТП - вихретоковый преобразователь; . БО - блок обработки; . АЦП - аналого-цифровой преобразователь; . ОК- объект контроля;
3. Блок возбуждения (БВ).
Блоком возбуждения в данном устройстве является широкополосный генератор напряжения синусоидальной формы. БВ состоит из синтезатора частот (СЧ) и формирователя сигнала (ФС) заданной формы. Рассмотрим их структурные и электрические схемы более подробно.
Блок возбуждения
3.1. Структурная схема СЧ.
[pic] [pic]
fc - частота сигнала подающегося на вход формирователя сигнала
3.1.1. Опорный генератор (ОГ).
В качестве ОГ выбираем генератор с кварцевым резонатором на 16 МГц микросхема РК374.
3.1.2. Счетчики -делители частоты M и N.
Счетчик М служит для задания шага изменения частоты. Счетчик N необходим для обеспечения сетки частот изменяющихся с заданным шагом fог/M. Предполагается что счетчики управляются цифровым кодом с ЭВМ. Выбираем счетчики серии КР1554ИЕ10 (аналог -74ALS161AN фирмы National ,USA). Микросхема КР1554ИЕ10 - это четырехразрядный двоичный синхронный счетчик. Счетчик запускается положительным перепадом (фронтом) тактового импульса на входе С. Сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние осуществляется по общему входу R(инв.). Режим параллельной загрузки информации устанавливается подачей напряжения низкого уровня на вход разрешения параллельной загрузки PE(инв.) , при этом предварительно установленная на входах D0...D3 информация по фронту импульса на входе С записывается в триггеры счетчика. Для синхронного каскадирования микросхема КР1554ИЕ10 имеет вход разрешения счет ЕСТ , вход разрешения переноса ЕСR и выход переноса CR. Счетчик считает тактовые импульсы , если на входах ECT и ECR подано напряжение высокого уровня. Вход ECR последующего счетчика соединяется со входом CR предыдущего счетчика.
Условно-графическое обозначение
КР1554ИЕ10
Таблица назначения выводов
|1 |R(инв.)|вход установки в состояние | |2 | |«лог. 0» | |3 |С |вход тактовый | |4 |D0 |вход данных | |5 |D1 |вход данных | |6 |D2 |вход данных | |7 |D3 |вход данных | |8 |ECT |вход разрешения счета | |9 |OV |общий вывод | |10 |PE(инв.|вход разрешения парал. | |11 |) |загрузки | |12 |ECR |вход разрешения переноса | |13 |D03 |выход данных | |14 |D02 |выход данных | |15 |D01 |выход данных | |16 |D00 |выход данных | | |CR |выход переноса | | |Ucc |напряжения питания |
Предполагается что цифровые входы данных D0...D3 , а также входы R(инв.) , ECT , ECR и PE(инв.) будут управляться с ЭВМ , соответствующим программным и аппаратным обеспечением .
3.1.3. Фазово-частотный детектор (ФЧД).
Если на схему ФЧД приходят равные частоты fог/M и fвых/N то из условия равенства этих частот получаем [pic]. В качестве ФЧД выбираем ИМС исключающее « или » серии К155ЛП5 (Аналог 74ALS86).
3.1.4. Генератор управляемый напряжением (ГУН).
ГУН - генератор , частота которого пропорциональна управляющему напряжению. Выбираем ИМС К531ГГ1 (Аналог 74S124N).
Микросхема 531ГГ1-представляет собой два генератора. Частота каждого генератора управляется напряжением. Каждый генератор представляет собой автомультивибратор , имеющий вход управления частотой (УЧ) выводы 1 и 2 и диапазоном частоты (Д) выводы 14 и 3. К выводам 12 и 13 подсоединим кварцевый резонатор КР374 на 16МГц. 16,15 - Uп; 9,8-общий вывод. Для обеспечения заданного диапазона частоты ко входам 4-5 присоединяем конденсатор емкостью с=2 пФ (КД-1-2пФх100В).
[pic]
3.1.5. Интегратор.
Для управления работой ГУН служит интегратор на операционном усилителе [pic] Параметры R и С выбираем из условия , что постоянная времени интегрирования должна быть больше максимальной длительности сигнала в 10 раз. т.е. RC>10 мс.
tи=R*C >10*T ; T=1/f=1/1КГц=1мс ; Выбираем R=100 КОм (МЛТ-0.25-100 кОм (5%) ;
С=1 мкФ (К50-6-1мкФх6.3 В); Таким образом постоянная времени интегратора будет tи=R*C=100 мс;
Интегратор выполним на основе быстродействующего ОУ 544УД2:
Ku=20000; Uсм=30 мВ; Iвх=0.1 нА; f1=15 МГц
Выходное напряжение интегратора будем рассчитывать по формуле:
[pic] (1) , где [pic] (2)
Посчитаем погрешность интегрирования, связанную с дополнительным напряжением на входе ОУ из-за неидеальности его свойств. DUвх=IвхR=1.10-3 В dUвх=DUвх/Uвх=2.10-4%
Относительная ошибка интегрирования:
g=tи/2tC=10-5
Найдем частоту wв : wв=1/(Ku+1)RC=2.10-4 Гц.
3.2. Формирователь сигнала (ФС).
Формирователем сигнала заданной формы является восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательной загрузкой и параллельной выгрузкой КР1533ИР8 (Аналог 74ALS164). Микросхема КР1533ИР8 представляет собой восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательной загрузкой и параллельной выгрузкой. Наличие двух входов последовательной загрузки A и B позволяет использовать один из них в качестве управляющего загрузкой данных: низкий уровень напряжения хотя бы одном из них по положительному фронту тактового импульса устанавливает первый триггер регистра в состояние низкого уровня напряжения , в то же время высокий уровень напряжения на управляющем входе позволяет по другому входу осуществлять ввод данных в последовательном коде. Частота следования импульсов по входу С - не более 50 МГц , т.е. вполне пригодно т.к. максимальная частота дискретного синусоидального сигнала будет на выходе fвых = 50/16 ( 3МГц , что соответствует техническому заданию.
Таблица назначения выводов
|A |вход информационный | |B |вход информационный | |CLК |вход тактовый | |CLR |вход сброса | |QA |выход | |QB |выход | |QC |выход | |QD |выход | |QE |выход | |QF |выход | |QG |выход | |QH |выход | |Vcc |напряжение питания | |GND |общий вывод |
КР1533ИР8 формирует дискретный периодический сигнал аппроксимированный функцией [pic] , где [pic] [pic] - период ; 16-16 дискретов на периоде ; n - номер текущего дискрета ; [pic] При однополярном питании данный сигнал сдвинут относительно нулевой точки на постоянную составляющую Eп/2.
3.2.1. Расчет номиналов резисторов.
Данная схема может обеспечить Rвых=5КОм ;
Запишем систему уравнений для нахождения номиналов резисторов: (3)
[pic]
[pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic]
[pic]
После расчета и округления до ближайших номинальных значений получаем:
R1=R8=150КОм (МЛТ-0.25-150 кОм (5%); R2=R7=47КОм (МЛТ-0.25-47 кОм (5%) ; R3=R6=33КОм (МЛТ-0.25-33 кОм (5%) ; R4=R5=27КОм (МЛТ-0.25-27 кОм (5%);
3.2.2 Анализ сигнала на выходе ФС.
Полезный сигнал на выходе регистра аппроксимируется ступенчато, что соответственно вносит свои погрешности и искажения. Возьмем сигнал для примера [pic] с частотой f=1000 Гц и числом дискретов N=16 ; [pic] [pic]
Рассмотрим погрешность на половине периода [pic]
Для аппроксимации данного сигнала рассмотрим функцию:
[pic] , где floor(x) - функция , возвращающая ближайшее целое число меньшее или равное аргументу (х вещественный).
[pic]
Относительную погрешность пронормируем по истинному значению сигнала [pic]
[pic] (4)
Изобразим в процентном отношении [pic]
Рассмотрим спектр сигнала на выходе ФС. Для этого применим разложение в ряд Фурье для периодического сигнала dcos(t). Найдем коэффициенты для разложения в ряд по косинусам:
[pic] bk=0 (5)
Так как значение напряжения на выходе ФС между отсчетами времени постоянно , то заменим интеграл на сумму :
[pic] [pic] [pic] [pic] (6)
[pic] (7)
[pic] (8)
Где k - номер гармоники в сигнале
Определим коэффициент гармоник в процентах :
[pic] [pic] (9)
Спектр сигнала на выходе ФС выглядит следующим образом:[pic] Таким образом видно , что коэффициент гармоник достаточно велик и нужно применить ФНЧ, отсекающий высшие гармоники спектра сигнала.
3.2.3. Перестраиваемый фильтр управляемый цифровым кодом.
Электрическая схема ФНЧ:
[pic]
Коэффициент передачи К(f) такой схемы равен:
[pic] (11)
R1=1КОм ; R2=R1 ; C=5 нФ.
ЛАЧХ фильтра [pic]
Рассчитаем подавление гармоник спектра сигнала в децибелах Kпод :
[pic] где к -номер гармоники ;
[pic]
Найдем коэффициент гармоник после ФНЧ , амплитуды гармоник станут соответственно:
[pic] (12)
[pic] [pic]% (13)
что соответствует техническому задания (Кгарм < 1 %)
Но нам нужен перестраиваемый фильтр следовательно вместо резисторов будем использовать токовый ЦАП 572ПА1.
1 - аналоговый выход 1 2 - аналоговый выход 2 3 - общий 4 - цифровой вход 1 5 - цифровой вход 2 6 - цифровой вход 3 7 - цифровой вход 4 8 - цифровой вход 5 9 - цифровой вход 6 10- цифровой вход 7 11- цифровой вход 8 12- цифровой вход 9 13- цифровой вход 10 14- питание Uип (+) 15- опорное напряжение Uоп 16- вывод резистора обратной связи
Для реализации динамических свойств ЦАП на выходе нужно использовать быстродействующий ОУ с коэффициентом усиления по напряжению не менее 104. В качестве ОУ выбираем быстродействующий К544УД2
|Ku |fmax, МГц |Uвых, В |Uпит, В |Iпот, мА | |20000 |15 |10 |±15 |7 |
Схема фильтра управляемого цифровым кодом:
[pic] R=10 КОм ; n=10 (разрядность ЦАП).
[pic] Rmin=10 КОм (14)
[pic] Rmax=10 МОм (15)
Так как время установления выходного напряжения после подачи кода на вход ЦАП tуст равно 5 мкс, соответственно частота дискретизации fдискр должна быть не более 200 кГц, а с учетом того что по теореме Котельникова синусоиду можно восстановить лишь при наличии двух дискретов на период, то максимальная частота не может быть выше 100 кГц. То есть С равно:
[pic] ; С= 1нФ (К50-6-1нФх6.3 В);
Данный фильтр управляется цифровым двоичным кодом N (этот код соответствует коду из синтезатора частот) следовательно изменяя код N будет изменяться частота сигнала fc , сопротивление резистивной матрицы ЦАП , постоянная времени интегратор tи и соответственно частота среза фильтра fср.
4. Вывод.
Т.о. блок возбуждения для вихретокового преобразователя обеспечивает подачу на накладной вихретоковый датчик синусоидального сигнала амплитудой 10 мА во всем диапазоне частот 1КГц-2.5 МГц , коэффициент гармоник сигнала при этом около 0.6%, что соответствует техническому задания. 5. Список используемой литературы.
1) Справочник "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы", Москва, "Радио и связь" 1989 г. 2) Справочник "Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП", Москва, "Радио и связь" 1994 г. 3) Справочник "Резисторы", Москва, "Радио и связь" 1991 г. 4) Справочник "Расчет индуктивностей", Ленинград, "Энергия" 1970 г. 5) Справочник "Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий" том 2, Москва, "Машиностроение" 1986 г. 3) В.Н. Гусев, Ю.М. Гусев "Электроника", Москва, "Высшая школа" 1991г.
----------------------- БВ
ВТП
БО
АЦП
Порты ввода/вывода
ЭВМ
ОК
ВТП
ФС
ФНЧ
СЧ
M
:М
ОГ
ГУН
(
ФЧД
:N
N
Ucc
Rинв PEинв C D0 D1 D2 D3 ECT ECR
CT2
D00 D01 D02 D03
CR
01 09 02 03 04 05 06 07 10
14 13 12 11
15
Общий
572ПА1
4 . . . . . 13
15 14
16
1
2
3
Реферат на тему: Блок выравнивания порядков
|Зон|Поз. |НАИМЕНОВАНИЕ |Кол|ПРИМЕЧАНИЕ | |а |Обозначе| |-во| | | |ния | | | | | |1,5,11,2|6 разрядными тактируемыми регистрами ИР27 |4 | | | |5 | | | | | |2,3,4,6,|Четырёхразрядные регистры сдвига ИР11 |6 | | | |7,8 | | | | | |10,57,67|Двухразрядный, полный сумматор ИМ2 |3 | | | | | | | | | | |Четырёхразрядный, быстродействующий, | | | | |9,56,66 |двоичный, полный сумматор ИМ3 |3 | | | |17,18 |Четырёхразрядный компаратор СП1 |2 | | | |12 |Четырёхразрядный , синхронный счётчик ИЕ17 |2 | | | | | | | | | |13,15 |Ждущий мультивибратор ТЛ1 |2 | | | | | | | | | |26,27,28|2И- ЛИ1 |19 | | | |,29, | | | | | |30,3133,| | | | | |34, | | | | | |35, | | | | | |36,37,38| | | | | |, | | | | | |39,40,41| | | | | |,42, | | | | | |43,44 | | | | | | | | | | | |23 |2ИЛИ- ЛЛ1 |1 | | | | | | | | | |14,16,21|НЕ- ЛН1 |7 | | | |,24, | | | | | |32, | | | | | |46,48, | | | | | | | | | | | |22,47 |2ИЛИ-НЕ ЛЕ1 |3 | | | | | | | | | |45 |5ИЛИ-НЕ ЛЕ7 |1 | | | |46,47,48|2И-НЕ ЛА3 |18 | | | |,49, | | | | | |50,51,52| | | | | |,53, | | | | | |54,55,60| | | | | |,61, | | | | | |62,63,64| | | | | |,65, | | | | | |68,69,70| | | | | |,71, | | | | | |72,73 | | | | | | | | | | | | | | | | | | |Изм|Лис|№ |Подпи|Дата| | |. |т |документ|сь | | | | | |а | | | | |Разрабо| | | | |Лит. |Лист|Листо| |тал | | | | | | |в | |Провери| | | | | | | | | | |л | | | | | | | | | | | | | | | | | |Н.контр| | | | | | |. | | | | | | |Утверди| | | | | | |л | | | | | |
| |