SU1735760A1 - Устройство автоматической подстройки частоты дл ультразвуковой установки - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико-химических свойств веществ. Цель изобретени  - повышение быстродействи  устройства . Изобретение обеспечивает возможность повышени  быстродействи , например, установок дл  измерени  скорости ультразвука, основанных на стабилизации длины волны ультразвука, за счет малого изменени  частоты зондирующего сигнала. Подстройка частоты осуществл етс  с помощью синхронного детектора, источника опорного напр жени , двух операционных усилителей, двух ключей и динамического запоминающего устройства, выход которого соединен с управл ющим входом генератора зондирующего сигнала. 2 ил. I

Description

Изобретение относитс  к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико-химических свойств веществ.

Известны установки дл  измерени  скорости ультразвука с помощь перестраиваемого по частоте акустического моста. Устройство автоподстройки частоты таких установок представл ет собой стробируемый интегратор, сервоусилитель , серводвигатель, и многооборотный потенциометр,, Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает

на вход интегратора, преобразуетс  в сигнал посто нного тока, с выхода интегратора поступает на вход сервоусилител  и одновременно подаетс  на один из входов задающего генератора. Сервоусилитель управл ет работой серводвигател , кинематически соединенного с многооборотным потенциометром, на крайние точки которого подаетс  напр жение с источника посто нного напр жени . Напр жение со средней точки мно1- гооборотного потенциометра подаетс  на второй вход генератора, а рабоча  частота определ етс  суммой напр жений на двух входах высокочастотного генератора .

1

00

ел

4

ОЭ

to

20

31735760

Недостатками данного устройства  вл ютс  большое врем  перестройки частоты , обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры.

Известно устройство, обладающее более высоким быстродействием и состо щее из последовательно соединенных фазового детектора и операционного усилител , вход щее в состав устройства дл  измерени  коэффициента поглощени  и скорости распространени  ультразвука . Сигнал разбаланса поступает на вход фазового детектора, выход ко- j, торого соединен с входом операционного усилител , а выходной сигнал операционного усилител  непосредственно подаетс  на вход задающего генератора.

Недостатком данного устройства  вл етс  бграниченна  область его применени . При исследовании сильнопогло- щающих веществ, когда уровень сигнала мал, вследствие чего не удаетс  реализовать режим сто чей волны и приходитс  пользоватьс  импульсными методами, при использовании подобных устройств по вл етс  дополнительна  погрешность установки частоты, св занна  с конечной величиной коэффициента усилени  операционного усилител , так как дл  установлени  некоторого отличного от нул   напр жени  на выходе усилител  на входе его должен существовать отличный от нул  сигнал - в данном случае сигнал разбаланса акустического моста, При неполной балансировке моста по фазе сигнал разбаланса зависит от амплитуды высокочастот- юго сигнала, что приводит к зависимости устанавливаемой частоты от затухани  ультразвука в образце. Последнее обсто тельство исключает ис- пользование устройства при исследовании  влений, когда с изменением скорости одновременно мен етс  поглощение ультразвука в образце.

Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  устройство, вход щее в состав установки дл  измерени  затухани  и скорости ультразвука . Устройство автоматической под- ртройки частоты этой установки состоит из синхрон/юго детектора, сервоусилител , серводвигател , источника постосинхронного детектора соединен с входом сервоусилител „ Выход сервоусилител  соединен с входными клеммами серводвигател . Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потенциометром 0 Крайние точки многооборотного потенциометра соединены с выходными клеммами источника посто нного напр жени , а средн   точка многооборотного потенциометра,  вл  сь выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединена с входом высокочастотного генератора, и напр жение на ней определ ет рабочую частоту о

Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает на вход синхронного детектора, преобразуетс  в уровень напр жени  посто нного тока и поступает на вход сервоусилител . Сервоусилитель приводит в движение сер- водвигатель, который измен ет положение средней точки многооборотного по- 25 тенциометра так, чтобы напр жение, поступающее на вход высокочастотного гв нератора, а значит, и рабоча  частота измен лись в сторону уменьшени  сигнала разбаланса по фазе акустического моста.

Недостатками прототипа  вл ютс  большое врем  подстройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры , что ограничивает область его применени .

I

Цель изобретени  - повышение быстродействи  устройства.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство автоматической подстройки частоты, содержащее синхронный детектор и источник посто нного напр жени , дополнительно снабжено двум  операционными усилител ми, двум  электронными ключами, двум  сопротивлени ми и динамическим запоминающим блоком, при этом выход синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилител  и инвертирующим входом второго операционного усилител , выходы «пера- ционных усилителей соединены с управл ющими входами электронных ключей,, сигнальный вход одного ключа соеди30

35

4S

50

 нного напр жени  и многооборотного 55 нен с положительным полюсом, сигналь- .потенциометра. Вход синхронного детек- ный вход второго ключа - с отрицатель- тора  вл етс  входом устройства авто- ным полюсом источника посто нного нап- матической подстройки частоты. Выход р жени , а выходы обоих ключей через

o

0

,

синхронного детектора соединен с входом сервоусилител „ Выход сервоусилител  соединен с входными клеммами серводвигател . Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потенциометром 0 Крайние точки многооборотного потенциометра соединены с выходными клеммами источника посто нного напр жени , а средн   точка многооборотного потенциометра,  вл  сь выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединена с входом высокочастотного генератора, и напр жение на ней определ ет рабочую частоту о

Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает на вход синхронного детектора, преобразуетс  в уровень напр жени  посто нного тока и поступает на вход сервоусилител . Сервоусилитель приводит в движение сер- водвигатель, который измен ет положение средней точки многооборотного по- 5 тенциометра так, чтобы напр жение, поступающее на вход высокочастотного гв нератора, а значит, и рабоча  частота измен лись в сторону уменьшени  сигнала разбаланса по фазе акустического моста.

Недостатками прототипа  вл ютс  большое врем  подстройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры , что ограничивает область его применени .

I

Цель изобретени  - повышение быстродействи  устройства.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство автоматической подстройки частоты, содержащее синхронный детектор и источник посто нного напр жени , дополнительно снабжено двум  операционными усилител ми, двум  электронными ключами, двум  сопротивлени ми и динамическим запоминающим блоком, при этом выход синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилител  и инвертирующим входом второго операционного усилител , выходы «пера- ционных усилителей соединены с управл ющими входами электронных ключей,, сигнальный вход одного ключа соеди0

5

S

0

5 нен с положительным полюсом, сигналь- ный вход второго ключа - с отрицатель- ным полюсом источника посто нного нап- р жени , а выходы обоих ключей через

сопротивлени  соединены с входом динамического запоминающего блока.

Сущность изобретени  заключаетс  в замене инерционной и громоздкой электромеханической системы (сервоусилител  и серводвигател ) быстродействующими и миниатюрными электронными устройствами: операционными усилител ми, электронными ключами, сопротивлени ми и динамическим запоминающим блоком, что позвол ет существенно увеличить быстродействие и уменьшить , габариты устройства автоматической подстройки частоты.

Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей необходимо дл  усилени  сигнала с выхода синхронного детектора до уровн , достаточного дл  управлени  электронными ключами. Соединение выхода синхронного детектора с инвертирующим входом одного и неинвертирующим входом другого операционных усилителей необходимо дл  того, чтобы в зависимости от знака напр жени  -на выходе синхронного детектора открывалс  тот или иной электронный ключ, поскольку открывание происходит при определенном знаке напр жени  на управл ющей входе электронного ключа, Электронные ключи необходимы дл  изменени  напр жени  на входе динамического запоминающего устройства, Сопротивлени  необходимы дл  ограничени 

10

тотного генератора, на входе операционного усилител  необходимо иметь напр жение , отличное от нул . Поскольку баланс акустического моста соответствует нулевому напр жению на входе операционного усилител , то очевидно, чтг в данном случае мост балансируетс  не точно. Предлагаема  схема использовани  двух операционных усилителей в сочетании с электронными ключами, сопротивлени ми и динамическим запоминающим устройством позвол ет добиватьс  установлени  рабочей частоты при--нулевом сигнале на входах операционных усилителей, т,е„ при точной ба- ланъировке акустического моста. Поскольку от точности балансировки акустического моста зависит точность измерени  скорости ультразвука, точна  балансировка моста весьма существенна , тем более, что при этом обеспечиваетс  высокое быстродействие устройства , в то врем  как устройство-про- j, тотип обладает малым быстродействием,

15

20

30

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано.

Устройство автоматической подстройки частоты дл  ультразвуковой установки {фиг, 1) состоит из синхронного детектора 1, операционных усилителей 2 и 3, источника Ь посто нного напр - тока на входе динамического запомина- 35 жени , электронных ключей 5 и 6, реющего устройства и предотвращени  ав- зисторов 7 и 8 и динамического запомиющего блока 9 состо щего из конденсатора 10 и истокового повторител , выполненного на транзисторе 11 и резис- 40 торе 12. Выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом операционного усилител  2 и неинвертирую- щим входом операционного усилител  3. Выход операционного усилител  2 сое- 45 динен с управл ющим входом электронного ключа 5, а выход операционного усилител  3 с управл ющим входом электронного ключа 6. Сигнальные входы электронных ключей 5 и 6 соединены с разноименными полюсами источника 1 посто нного напр жени . Динамический запоминающий блок 9 состоит из конденсатора 10, соединенного с затвором транзистора 11 и одним из выводов рествах операционный усилитель использу- 55 зистора 12, Второй вывод резистора 12 етс  дл  усилени  сигнала с выхода соединен с истоком транзистора 11. фазового детектора. Однако дл  поД- j Один из выводов конденсатора 10 и зат- держани  некоторого напр жени , определ ющего рабочую частоту высокочастоколебательного процесса. Динамическое запоминающее устройство необходимо дл  фиксации напр жени , определ ющего рабочую частоту высокочастотного генератора , когда напр жение на выходе синхронного детектора равно нулю.

Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей, двух электронных ключей , двух сопротивлений и динамического запоминающего устройства достаточно дл  повышени  быстродействи  устройства.

Операционные усилители, электронные ключи, динамические запоминающие устройства и сопротивлени  ni имен ют- с  и в других электронных устройствах . Так, например в известных устрой50

вор транзистора 11 через резисторы 7 и 8 соединены с выходами электрон0

тотного генератора, на входе операционного усилител  необходимо иметь напр жение , отличное от нул . Поскольку баланс акустического моста соответствует нулевому напр жению на входе операционного усилител , то очевидно, чтг в данном случае мост балансируетс  не точно. Предлагаема  схема использовани  двух операционных усилителей в сочетании с электронными ключами, сопротивлени ми и динамическим запоминающим устройством позвол ет добиватьс  установлени  рабочей частоты при--нулевом сигнале на входах операционных усилителей, т,е„ при точной ба- ланъировке акустического моста. Поскольку от точности балансировки акустического моста зависит точность измерени  скорости ультразвука, точна  балансировка моста весьма существенна , тем более, что при этом обеспечиваетс  высокое быстродействие устройства , в то врем  как устройство-про- , тотип обладает малым быстродействием,

5

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано.

30

35

40 45

50

зистора 12, Второй вывод резистора 12 соединен с истоком транзистора 11. Один из выводов конденсатора 10 и зат

вор транзистора 11 через резисторы 7 и 8 соединены с выходами электрон

ных ключей 5 и 6 соответственно. Сигнальный вход электронного ключа 6 соединен с точкой соединени  конденсатора 10 с резистором 12.

Ультразвукова  установка (фиг. 2) состоит из высокочастотного генератора 13, ключевой схемы kl импульсного модул тора 15 передающего 16 и приемного 17 пьезопреобразователей, иссле- ауемого образца 18, перестраиваемого аттенюатора 19, приемника 20, устройства 21 автоматической подстройки частоты и частотомера 22. Выходы 1 - 3 высокочастотного генератора 13 соединены с входом 1 ключевой схемы 14, входом 2 приемника 20 и входом частотомера 22 соответственно. Выходы 1 - Ц импульсного модул тора 15 соединены с входами 2 и 3 ключевой схемы И, входом 3 приемника 20 и входом 2 устройства 21 автоматической подстройки частоты соответственно,, Выходы 1 и 2 ключевой схемы 14 соединены с передающим пьезопреобразователем 16 и входом аттенюатора 19. Пьеэопреоб- разователи 16 и 17 монтируютс  на исследуемый образец 18. Вход 1 приемника 20 соединен с приемным пьезопреобразователем 17 и выходом аттенюатора 19. Выход приемника 20 соединен с входом 1 устройства 21 автоматической подстройки частоты, выход которого соединен с входом высокочастотного генератора 13 о

Рассмотрим работу ультразвуковой установки (фиг. 2) в режиме измерени  изменени  скорости ультразвука в исследуемом образец от внешнего параметра , контролируемого в процессе эксперимента (например, температуры, магнитного пол  и т„д„).

Высокочастотный генератор 13 вырабатывает электрический сигнал, гармоническим образом завис щий от времени . Этот сигнал поступает на вход частотомера 22 дл  измерени  частоты, на вход 2 приемника 20 в качестве опорного сигнала дл  фазового детектировани  и на вход 1 ключевой схемы 14„ С помощью импульсного модул то ра 15 на выходах 1 и 2 ключевой схемы формируютс  радиоимпульсы, причем радиоимпульс на выходе 2 задержан во времени относительно радиоимпульса на выходе 1 на величину, равную времени распространени  ультразвукового сигнала в исследуемом образце 18, Сигналы с выходов ключевой схемы 14 поступают

5

5

на акустический мост, содержащий аттенюатор 19 в одном плече и образец 18 с пьезопреобразовател ми 16 и 17 в другом. Радиоимпульс с выхода 1 ключевой схемы 14 поступает на пере- дающий пьезопреобразователь 16, преобразуетс  в механические колебани , которые распростран ютс  в образце 18, достигают приемного пьезопреобразова- тел  17, испытывают обратное преобразование в радиоимпульс электромагнитной природы и поступают на вход 1 приемника 20, куда одновременно поступает сигнал с выхода аттенюатора 19,внос щего затухание в сигнал с выхода 2 ключевой схемы ,14,равное сумме затухани  ультразвука в образце 18 и потер м на электромеханическое преобразование в пьезопре- образовател х 16 и 17. Приемник 20 содержит два канала - канал измерени  фазы и канал измерени  амплитуды. Последний позвол ет осуществить баланс моста по амплитуде и производить измерени  изменений затухани  ультразвука в образце 18 от внешнего параметра. Канал измерени  фазы содержит фазовый детектор, который выдел ет из сигнала , поступающего на вход 1 приемника

Q 20, с помощью опорного сигнала, поступающего на вход 2 приемника 20, составл ющую , сдвинутую по фазе на 90 относительно сигнала, поступающего с выхода аттенюатора 19, и тем самым формирует сигнал разбаланса по фазе

5 акустического моста. Этот сигнал детектируетс  амплитудным детекторомf из серии эхоимпульсов с помощью строб- импульса, поступающего на вход 3 приемника 20, выбираетс  необходимый импульс и далее происходит его пиковое детектирование. После этого сигнал поступает на вход 1 устройства 21 автоматической подстройки частоты, на вход 2 которого поступает опорный сигнал дл  низкочастотного синхронного детектировани . Устройство 21 автоматической подстройки частоты при нулевом сигнале разбаланса по Фазе акустического моста измен ет напр жение на выходе, которое определ ет рабочую частоту высокочастотного генератора 13, в сторону уменьшени  сигнала разбаланса , В момент, когда сигнал разбаланса по фазе акустического моста становитс  равным нулю, напр жение на выходе устройства 21 автоматической подстройки частоты перерастает измен тьс , частота Ј0 высокочастотного

0

5

S

генератора 13 фиксируетс  и измер етс  частотомером 22, При изменении внешнего параметра может произойти изменение скорости ультразвука S0 на величину 5, Это приведет к тому, что акустический мост будет балансироватьс  по фазе на частоте fo также измер емой частотомером 22. Относительное изменение скорости ультразвука от внешнего параметра может быть определено с помощью следующего выражени :

AS/S0 )/fe.

Устройство автоматической подстройки частоты дл  ультразвуковой установки работает следующим образом,

В исходном состо нии, соответствующем балансу по фазе акустического моста и, следовательно, нулевому напр жению на выходе синхронного детек- , тора 1, электронные ключи 5 и 6 наход тс  в разомкнутом состо нии, Конденсатор 10 зар жен до некоторого уровн  напр жени , и с выхода динамического запоминающего блока 9 на вход высокочастотного генератора 13 поступает напр жение U0. определ ющее рабочую частоту f0. При изменении скорости ультразвука от внешнего параметра возникает разбаланс по фазе акустического моста, в результате чего на выходе синхронного детектора 1 по вл етс  сигнал в виде уровн  напр жени  посто нного тока и поступает на входы операционных усилителей 2 и 3, довод щих сигнал до уровн , необходимого дл  управлени  электронными ключами 5 и 60 В зависимости от знака напр жени  на выходе синхронного детектора 1 открываетс  электронный ключ 5 или 6, В результате вход динамического запоминающего -блока 9 через резистор 7 или 8 оказываетс  подключенным к положительному либо отрицательному полюсу источника k посто нного напр жени , Это приводит к зар ду или разр ду конденсатора 10, изменению напр жени  на выходе динамического запоминающего

20

тоты высокочастотного генерато При некотором значении частоты ветствующем ей значении напр ж выходе динамического запомина блока 9 и возникает баланс по акустического моста, вследстви напр жение на выходе синхронно тектора 1 становитс  равным ну JQ крытый до этого момента времен 5 или 6 закрываетс , и на вы намического запоминающего бло фиксируетс  напр жение Uj,

По сравнению с прототипом пр 5 женное устройство автоматическо стройки частоты позвол ет при т точности установлени  частоты чить быстродействие ультразвуко тановки в 20 раз, существенно у шить ее габариты, расход электр гии и повысить производительнос труда при проведении физических периментов,

Claims (1)

1. Формула изобрете

   i

   Устройство автоматической под ки частоты дл  ультразвуковой новки , содержащее синхронный дет

   30 и источник посто нного напр жен отличающеес  тем, что целью повышени  быстродействи  у ства, оно снабжено двум  операци усилител ми, двум  электронными

   35 ми двум  резисторами и динамиче запоминающим блоком, выход синхр детектора соединен с инвертирующ входом первого операционного уси л  и неинвёртирующим входом втор

   40 операционного усилител , выходы рационных усилителей соединены с равл ющими входами соответственн первого и второго электронных кл сигнальные входы которых соедин

   45 соответственно с положительным и рицательным полюсами источника п  нного напр жени , а выходы обои электронных ключей через первый рой резисторы соединены с входо

   блока 9 и, следовательно, рабочей час-50 намического запоминающего блока,

   0

   тоты высокочастотного генератора- 13. При некотором значении частоты и соответствующем ей значении напр жени  на выходе динамического запоминающего блока 9 и возникает баланс по фазе акустического моста, вследствие чего напр жение на выходе синхронного детектора 1 становитс  равным нулю, от- JQ крытый до этого момента времени ключ 5 или 6 закрываетс , и на выходе динамического запоминающего блока 9 фиксируетс  напр жение Uj,

   По сравнению с прототипом предло- 5 женное устройство автоматической под- стройки частоты позвол ет при той же точности установлени  частоты увеличить быстродействие ультразвуковой установки в 20 раз, существенно уменьшить ее габариты, расход электроэнергии и повысить производительность труда при проведении физических экспериментов ,

   Формула изобретени 

   i

   Устройство автоматической подстройки частоты дл  ультразвуковой установки , содержащее синхронный детектор

   0 и источник посто нного напр жени ,, отличающеес  тем, что, с целью повышени  быстродействи  устройства , оно снабжено двум  операционными усилител ми, двум  электронными ключа5 ми двум  резисторами и динамическим запоминающим блоком, выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилител  и неинвёртирующим входом второго

   0 операционного усилител , выходы операционных усилителей соединены с управл ющими входами соответственно первого и второго электронных ключей, сигнальные входы которых соединены

   5 соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника посто нного напр жени , а выходы обоих электронных ключей через первый и второй резисторы соединены с входом диФиг/