Дифракция света на ультразвуке

Независимо от средств, используемых при сканировании (вручную, механизированно), надежность результатов дефектоскопирования обусловливается системой слежения за качеством акустического контакта и степенью объективности и информативности документа контроля.

Импульсные УЗД, работающие по методу отражений, являются основными  средствами акустического контроля в различных отраслях промышленности.

 

3.2 Некоторые сведения о работе амплитудных ограничителей

Под воздействием помех амплитуда  и частота частотно-модулированного  сигнала изменяются [1]. Поэтому принято  говорить, что помехи вызывают вредную  амплитудную и частотную модуляцию  сигнала. Если изменение амплитуды  сигнала под воздействием помех  происходит со сравнительно малой глубиной (т_а < 0,4), то, применив ограничитель амплитуды (ОА), можно его устранить. Благодаря этому на вход детектора частотно-модулированных сигналов поступит сигнал практически с постоянной амплитудой, что значительно ослабит действие помех.

Для устранения вредной амплитудной  модуляции сигнала помехой идеальный  ограничитель должен иметь амплитудную  характеристику, состоящую из двух отрезков прямых 1, показанных на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Амплитудная  характеристика идеального ограничителя

При амплитудах входного сигнала, меньших порога ограничения U_пор ограничитель работает как обычный усилитель и его амплитудная характеристика линейная. Если амплитуда входного напряжения превышает пороговое значение, то амплитуда выходного напряжения сохраняется постоянной и не зависит от амплитуды входного сигнала. Следовательно, в рабочей области коэффициент усиления ограничителя амплитуды должен изменяться обратно пропорционально амплитуде входного сигнала, что технически выполнить весьма трудно.

Выбрав амплитуду немодулированного  входного сигнала U_0вхm значительно больше порогового напряжения идеального ограничителя, можно добиться полного устранения вредной амплитудной модуляции сигнала помехой, если коэффициент вредной амплитудной модуляции удовлетворяет неравенству

m_п.вх≤ 1-U_пор/U_овхm. (1–1)

При выполнении этого неравенства  все изменения амплитуды входного сигнала под воздействием вредной  амплитудной модуляции помехой  происходят при значениях, больших  порогового, т.е. в области идеальной  работы ограничителя. При этом коэффициент  модуляции выходного напряжения m_п.вых равен нулю.

В случае известных значений порога ограничения и коэффициента модуляции m_п.вх из формулы (1–1) можно найти требуемое значение амплитуды входного сигнала, которое обеспечит устранение вредной амплитудной модуляции. Аналогично можно выбирать схему ограничителя амплитуды по его пороговому напряжению, если заданы U_овхm и m_п.вх.

Амплитудные характеристики реальных ограничителей чаще всего  имеют вид, соответствующий штриховой  кривой 2 на рис. 1.1. Пороговое напряжение определяют в точке П перегиба характеристики. Этой точке на рисунке соответствует выходное напряжение (U_п.выхm. Если выбрать амплитуду входного сигнала по формуле (1–1) и обозначить через U_овыхm амплитуду выходного сигнала в рабочей точке, то остаточный коэффициент модуляции выходного сигнала ограничителя амплитуды

. (1–2)

Эффективность работы ограничителя оценивается коэффициентом ограничения, характеризующим уменьшение амплитудной  модуляции сигнала:

K_oгp = m_п.вх/m_п.вых. (1–3)

Кроме этого коэффициента характеристиками ограничителя амплитуды  являются также пороговое напряжение и выходное напряжение U_овхm соответствующее амплитуде немодулированного выходного сигнала при пороге ограничения.

Чем больше коэффициент ограничения  и амплитуда выходного напряжения в рабочей точке U_овыхm, тем лучше считается ограничитель амплитуды. При прочих равных условиях лучшим считается также тот ограничитель, который имеет меньший порог ограничения, ибо в этом случае требуется меньшее напряжение входного сигнала U_овхm в рабочей точке.

Операция ограничения  – нелинейная, поэтому при этом возникает ряд гармонических  составляющих напряжения [2]. Для обеспечения  на выходе АО гармонического напряжения необходимо после нелинейного преобразования напряжения осуществить фильтрацию первой гармоники входного колебания. Тогда структурная схема АО (рис. 1.2) включает в себя нелинейную цепь и фильтр, выделяющий первую гармонику тока на выходе цепи.

Рисунок 1.2 – Структурная  схема амплитудного ограничителя

Если из этого устройства исключить фильтр, то можно получить ограничитель мгновенных значений. В  зависимости от вида нелинейной цепи АО подразделяются на диодные и транзисторные.

3.3 Диодные амплитудные ограничители

Простейшим ограничителем  амплитуды является диодный [1]. Для его осуществления параллельно нагрузочному колебательному контуру последнего каскада усилителя напряжения промежуточной частоты включаются диоды, на аноды которых подается небольшое запирающее напряжение U₃. Когда амплитуда сигнала на колебательном контуре меньше запирающего напряжения, диоды закрыты и усилитель работает нормально. В случае превышения амплитуды сигнала над запирающим напряжением диоды открываются и шунтируют колебательный контур, уменьшая усиление и стабилизируя выходное напряжение каскада. Чем больше сигнал, тем меньше внутреннее сопротивление диодов и меньше усиление. На рис. 1–3 приведен вариант схемы подобного ограничителя амплитуды.

Рисунок 1.3 – Структурная схема диодного ограничителя

 Здесь резистор R₁ используется как сопротивление коллекторного фильтра и, кроме того, с него снимается запирающее напряжение U_Зl для первого диода. Положительный потенциал этого напряжения через контурную катушку подводится на катод диода, а отрицательный – непосредственно к аноду. Для второго диода запирающее напряжения U_З2 снимается с резистора R₂, который вместе с резистором R₃ образует делитель напряжения.

Существенным недостатком  диодного ограничителя является то, что  при открытых диодах увеличивается  эквивалентное затухание колебательного контура и ухудшается избирательность  каскада. Запирающее напряжение в рассматриваемой  схеме обычно берется равно 0,7–1 В, а пороговое напряжение на 0,2 В больше. Выходное напряжение ОА в рабочей точке превышает пороговое на 0,15–0,25 В. Коэффициент ограничения диодного ограничителя составляет 20–30 дБ.

2.1 Исходные данные и задачи расчета

Для радиовещательных и телевизионных  приемников промежуточная частота  для тракта ЧМС задается ГОСТ [3]. При расчете структурной схемы  приемника выбираются: схема и  тип электронного прибора; напряжение U_nop порога ограничения; амплитуда выходного напряжения U_{m вых}; коэффициент амплитудной модуляции т_п входного сигнала помехой; требуемый коэффициент ограничения К_огр..

Задачами расчета являются: выбор оптимального режима работы нелинейного  элемента; расчет параметров элементов  схемы; уточнение амплитуд входного и выходного сигналов.

2.2 Методика расчета диодных ограничителей амплитуды

Вариант схемы диодного ограничителя амплитуды приведен на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная  схема диодного АО

 По токам частоты  сигнала диоды включены параллельно  коллекторному контуру каскада.  К первому диоду подводится  запирающее напряжение Е₃₁, создающееся на резисторе коллекторного фильтра. Запирающее напряжение второго диода Е₃₂ создается на резисторе R₂, который образует совместно с резисторами R_ф и R₂ делитель напряжения. При Е₃₁ =E₃₂=Е₃ сопротивления резисторов должны удовлетворять равенствам:

(2–1)

Емкость конденсатора _. рассчитывают по формуле

(2–2)

C_б и C₁ рассчитывают по (2–2), вводя соответствующие замены емкостей и сопротивлений.

В интервале входных напряжении до 0,3–0.4 В вольт-амперная характеристика диодов наиболее точно аппроксимируется экспонентой. В этом случае входная активная проводимость диодов определяется уравнением

(2–3)

в котором параметр определяется из [3], – амплитуда сигнала на контуре. Если Е_З>U_mконт, то диоды закрыты и входную проводимость следует считать равной нулю. Когда амплитуда входного сигнала превышает 0,4–0,6 В, вольт-амперная характеристика диодов становится более близкой к линейной и входная проводимость определяется равенством

, (2–4)

в котором – проводимость прямой передачи диода.

Если обозначить амплитуду  сигнала, приложенного к диоду,

, (2–5)

то можно составить  уравнение, определяющее зависимость  амплитуды входного сигнала от :

, (2–6)

где – эквивалентная резонансная проводимость коллекторного контура без учета действия диодов;

, (2–7)

– приведенный коэффициент  усиления каскада при закрытых диодах, при котором за выходной сигнал принимается  напряжение на всем контуре; – максимальная амплитуда входного сигнала, при которой диоды еще закрыты. Необходимый коэффициент включения контура в коллекторную цепь транзистора определяется равенством

. (2–8)

С учетом сказанного можно  составить методику расчета амплитудной  характеристики каскада, Задаваясь  определенным значением определяют амплитуду выходного сигнала на контуре

. (2–9)

Затем по (2–6) вычисляют соответствующую  ему амплитуду входного сигнала. Такие расчеты выполняют для  от 0 до 0,3–0,4В через 0,05 В. По полученным данным строят амплитудную характеристику и по ней определяют основные характеристики ограничителя амплитуды в соответствии с обозначениями, принятыми на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Основные характеристики ОА

 Пороговое напряжение U_пор находят по точке П характеристики, соответствующей примерно (0,8–0,9) U_{вых mах}. Амплитуду исходного входного сигнала вычисляют по формуле:

, (2–10)

полагая m_n≈0,5. Коэффициент модуляции сигнала помехой вычисляют по формуле:

, (2–11)

а коэффициент ограничения  по равенству:

. (2–12)

Наиболее приемлемые характеристики ограничителя амплитуды получаются, если брать Е₃= 0,3 ÷ 1,0 В и обеспечивать наибольшее приведенное усиление каскада. Последнее получается, если эквивалентная проводимость контура будет наименьшей для обеспечения нужной полосы пропускания детектора ЧМС. Чем меньше Е₃ и больше , тем меньше порог ограничения, но и меньше амплитуда выходного сигнала.

3.4 Пример расчета диодного ограничителя амплитуды

Рассчитать параметры  диодного ограничителя амплитуды на транзисторе ГТ308В при f_пр = 8,4 МГц и Е_к = 9 В. Селективной системой служат два связанных контура дифференциального детектора. Первый из них изображен на рис. 2.1, а второй для упрощения схемы не показан.

Выбираем диоды Д9Б (S_np = 0,01 См, R_i= 100 Ом, γ = 20 1/В). Зададимся напряжением запирания Е₃ = 0,5 В, током потенциометра I_п = 0,5 мА и рабочей точкой транзистора при I_к = 1 мА и U_K3= 5 В (Y₂₁ = 0,035 См, С₁₂= 1 пФ). Согласно формулам (2–1) получем: (выбираем резисторы сoпротивлением 330 Ом, 16 кОм и 1 кОм соответственно). Параметры остальных элементов схемы вычисляем, используя приведенную методику.

По (2–24) вычисляем устойчивый коэффициент усиления транзистора:

. (2–24)

.

Эквивалентная проводимость контура  . По (2–7) получаем . Из равенства (2–8) находим коэффициент включения контура в коллекторную цепь р_к=11,5/416 = 0,028. Находим проводимость шунтирующего сопротивления коллекторной цепи: (R_ш= 13 Ом).

По (2–2) вычисляем С_р=10/(8 400 000 13) = 9 10^-8 Ф. 

При U_д = 0 из равенства (2–10) находим .

Зададимся U_тд =0.5 B, тогда γU_mд =200 0,05= 1 и по [3] получаем θ=0,57.

 Из уравнения (2–3) вычисляем g_вх =2 0,57 10^-5/0,05=228 10^-6См.

 При U_тл > 0,5

 В согласно (2–4) получим g_вx>10мСм. Поскольку ограничивающих диодов два, то подставляем в формуле (2–6) 2g_нх вместо g_вх и получаем: .

Амплитуду напряжения на всем контуре вычисляем по (2–9) U_{m вых} = 0,5+0,05 = 0,55 В.

Данные, полученные путем  аналогичных расчетов для других значений U_тд, приведены в табл. 2–1. По полученным значениям на рис, 2–2 построена амплитудная характеристика ограничителя амплитуды (кривая 1). При Е₃ = 1 и Е₃ = 0,3 В входное и выходное напряжения соответствуют вариантам 2 и 3 табл. 10–1 и кривым 2 и 3 на рис. 2–2. Если при условиях варианта применять только один диод, то для этого будут справедливы характеристики варианта 4 и кривая 4 на ряс. 2–2. Сравнение кривых 3 и 4 показывает, что при одном диоде характеристика ограничения ухудшается лишь на 10–20%, поэтому ограничители амплитуды с одним диодом применяются часто.

Таблица 2.1 – Результаты вычислений U_вх, U_вых в зависимости от U_{т д}

Вариант		Uт д, В
		0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3
1	Uвх, мВ	7,2	51	74	128	283	516	1110
	Uвых, В	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8
2	Uвх, мВ	14	98	136	227	497	850	1910
	Uвых, В	1	1,05	1,1	1,15	1,2	1,25	0,8
3	Uвх, мВ	4,3	32	50	89	203	388	912
	Uвых, В	0,3	0,35	0,4	1,45	0,5	0,55	0,8
4	Uвх, мВ	7,2	30	42	69	146	269	615
	Uвых, В	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8