Методическое пособие 66
.pdfФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический |
Составительканд.физ.-мат.наукЮ.В.Худяков |
|||
университет» |
|
|
|
|
Кафедрарадиоэлектронныхустройствисистем |
УДК621.396 |
|
|
|
|
Линиизадержки:методические указания к выполнению |
|||
|
лабораторной работы |
№ 5 по дисциплине Б1.В.ДВ.3.1 |
||
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ |
«Элементная база электронных средств» |
для студентов |
||
|
направления 11.03.03 |
«Конструирование |
и технология |
|
|
электронных средств» (профиль «Проектирование и технология |
|||
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ |
радиоэлектронных средств») очной и заочной форм обучения/ |
|||
|
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический |
|||
к выполнению лабораторной работы № 5 по дисциплине |
университет»;сост.Ю.В. Худяков.Воронеж, 2016.26с. |
|||
Б1.В.ДВ.3.1 «Элементная база электронных средств» |
В работе изложеныметодические указания к выполнению |
|||
для студентов направления 11.03.03 «Конструирование |
лабораторнойработы№5«Линиизадержки»,главнымсодержанием |
|||
и технология электронныхсредств»(профиль «Проектирование |
которой является изучение принципа действия конструкций и |
|||
и технология радиоэлектронных средств») очной и заочной |
методов экспериментального |
исследования |
основных типов |
|
форм обучения |
электрических и акустоэлектрических линий задержки |
|||
|
электрических сигналов. Даны изучаемые при выполнении работы |
|||
|
задания, методические указания |
к ним и перечни контрольных |
||
|
вопросов. |
|
|
|
|
Методические указания подготовлены в электронном виде и |
|||
|
содержатсявфайлеЛР5ЭБЭС.pdf. |
|
||
|
Табл.1.Ил.10.Библиогр.:5назв. |
|
||
|
Рецензентканд.техн.наук,доц.А.В.Турецкий |
|||
|
Ответственный за выпуск |
зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, |
||
|
проф.Ю.С.Балашов |
|
|
|
Издаетсяпорешениюредакционно-издательскогосовета Воронежскогогосударственноготехническогоуниверситета
ФГБОУ ВО «Воронежскойгосударственный техническийуниверситет»,2016
Воронеж2016
1.ОБЩИЕУКАЗАНИЯ
1.1.Цельработы
Изучение конструкции электрических и акустоэлектронных линийзадержки.
Приобретение навыков по применению радиоэлектронных приборовдляопределенияпараметровлинийзадержки.
1.2. Содержаниеработы
Основным содержанием работы является изучение, экспериментальные исследования конструкций и получение навыков в области измерения основных параметров электрических линий задержки (ЭЛЗ)иакустоэлектронныхлинийзадержки(АЛЗ)наобъемныхволнахспьезоэлектрическимипреобразователями.
При выполнении работы используются стандартные и нестандартные радиоизмерительные приборы, с помощью которых производитсяэкспериментальноеопределениепараметровЛЗ.
Процесс выполнения работы ориентирован на приобретение студентами знаний в области анализа конструкций различных ЛЗ и навыковпоизмерениюихосновныхпараметров.
Обучение при выполнении работы осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученныхстудентами знаний и навыков производится при собеседовании путем оценок ответов на контрольные вопросы по выполнениюдомашнихилабораторныхзаданий.
Впроцессеработынеобходимособлюдатьобщиеправила техникибезопасностиприработесэлектроустановкаминапряжением до1000В,атакжетребованиякоформлениюотчета.
Времявыполнениядомашнихзаданий3часа,общеевремяна выполнениелабораторныхзаданий,включаясобеседованияиотчет по лабораторной работе–4часа.
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ 2.1.НазначениеиклассификацияЛЗ
ЛЗвнастоящее времянаходитширокоеприменениевразличныхрадиоэлектронныхустройствах:дискретныхфильтрах, устройствахформированияиселекцииимпульсныхсигналовврадиолокационныхсистемах,устройствахпанорамногоприемарадиосигналов,корреляционныхустройствахит.п.Попринципудействия ЛЗможноразделитьнадвабольшихкласса:электрическиелинии задержки(ЭЛЗ)иакустическиелиниизадержки(АЛЗ).
ЗадержкасигналоввЭЛЗявляетсярезультатомпрохождения электромагнитнойволнойконечногопути.ЭЛЗмогутзадерживать каквидеоимпульсы,такирадиоимпульсы.Ихчастотныехарактеристикисоответствуютчастотнымхарактеристикамфильтровнижних частотиограничиваются верхнейграничнойчастотой пропускания fв. ПоконструктивнымпризнакамЭЛЗподразделяютсяна:
-коаксиальныекабелисвеличинойзадержкиот5до10нс/ми полосойпропусканиядо10ГГц;
-спиральные ЛЗ круглого и прямоугольного поперечного сечения с распределенными постоянными с величиной задержки от 40 нс/м до 2мс/м иполосойпропусканияот100кГцдо100МГц.
Задержка сигналов в АЛЗ является результатомпрохождения акустической волны в твердом теле конечного пути. Частотная характеристика АЛЗ соответствует частотной характеристике полосового фильтра. АЛЗ, какправило, могут безсущественныхискажений задерживать только радиоимпульсы. АЛЗ имеют ряд принципиальных разновидностей и могут по виду преобразователей электрического сигналав акустический сигнал классифицированы следующим образом:
-спьезоэлектрическимипреобразователяминаобъемных волнахсвременамизадержкиотединицдодесятковмксвдиапазоне частототединицеМГцдоединицГГц;
-с магнитострикционными преобразователями и акустопроводами дисперсионного и недисперсионного типа с временем за-
2
держкидодесятковмс и диапазономчастототсотен кГцдоединиц МГц;
-на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с временем задержки отединицдодесятковмкс,диапазономчастототдесятков МГц доединицГГциполосойпропусканияотединицкГцдосотен МГц.
С точки зрения микроминиатюризации компонентной базы РЭА перспективными являются АЛЗ и ПАВ, которые могут иметь характеристикидисперсионногоинедесперсионноготипа.
2.2. СистемапараметровЛЗ
Независимооткласса,основнымипараметрамиЛЗявляются: -время задержки tз, которое измеряется между средними точками фронта входного и выходного импульсов. На практике эта ве-
личина оценивается временным интервалом между точками, соответствующими 50 % амплитудного значения входного и выходного импульсов (рис.1). Если параметры ЛЗ определяются по радиоимпульсу. То необходимые расчетные точки нужно определить по его огибающей(рис.2);
-длительность временного нарастания фронта задержанного выходного импульса tф, которое определяется длительностью фронтов импульсов навходеtфвх инавыходеtфвых ЛЗмеждууровнями, соответствующими 0,1 и 0,9 амплитудных значений импульсов. Тогда длительностьфронтаtф согласноправилуквадратур[5]будет
tф |
|
|
2 |
|
|
|
2 . |
(1) |
t |
фвых |
|
|
t |
фвх |
|
|
Припередачевидеоимпульса(рис.П1)ширинаполосыпропускания ЛЗопределяетсяверхнейграничнойчастотой fв науровне0,707 (нижняяграничнаячастотаfН =0)и рассчитываетсяпоформуле
FВ |
K |
(2) |
t |
||
|
ф |
|
гдеFв -верхняяграничнаячастота,МГц;
K=(0,36-0,6)-коэффициент,которыйзависитотформам- плитудно-ифазочастотнойхарактеристикЛЗ;
tф -длительностьфронта,рассчитаннаяпоформуле(1),мкс; -f0 -рабочаячастотадляАЛЗ, котораяопределяетсярезонансной частотой используемых в АЛЗ преобразователей и является ча-
стотойзаполненияогибающейрадиоимпульса(рис.2);
-2 f - полосапропусканиядляАЛЗ,определяемаядлительностьюфронтаtф навыходеЛЗпоформуле
2 f |
2K ; |
(3) |
|
tф |
|
|
-относительный уровень ложных сигналов, которые появляются на выходе линии задержки до или после основного импульса.
Ложныесигналыможноподразделитьнатривида: -сигналынезадержанные,обязанныепрямомупрохождению
входныхимпульсовнавыходЛЗ; -сигналы, появляющиеся раньше или позже основного им-
пульса, вызванные, например, рассеиванием ультразвуковой энергией, частькоторойпроходитвЛЗпуть,отличныйотпути, проходимогоосновнымсигналом;
-сигналы,образующиесявследствиенеполногопоглощения энергииимпульсавцепинагрузкиЛЗ,приэтомчастьэнергии,отражаясь,распространяетсявобратномнаправлении,сноваотражается ужеотвходаЛЗ,распространяетсяопятькеевыходуитакдотех пор,пока вся энергия неокажется рассеянной вцепях нагрузкина входеивыходеЛЗ.Уровень этих отраженийпринятовыражать в процентах. Он равен частному от деления полусуммыамплитуд выбросовнавершинеиосновании задержанногоимпульсаиамплитуды егополезного сигнала.
3 |
4 |
A |
|
|
|
|
0,9 |
|
Aв |
|
|
|
|
|
||
|
|
0.9Aвых |
Aвых |
|
0,5 |
1. |
Aвх |
|
|
|
|
|||
|
|
0.5Aвых |
|
|
|
|
0.1Aвых |
tв |
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tфвх |
|
tфвых |
t |
|
tз |
|
|
|
Aвх–амплитудное значение импульсана входеЛЗ; Aвых –амплитудное |
||||
Значение импульсанавыходеЛЗ; Aв–амплитудное значение выброса |
||||
на вершинеимпульса; A |
-амплитудное значение отрицательного |
|||
|
В |
|
|
|
выброса импульса; –спад вершины импульса |
|
|||
|
Рис.1. Идентификация параметров задержанного |
|
||
|
|
импульса |
|
|
|
-искаженияформывершины:максимальноезначениевыбро- |
|||
сов AВ,спадвершины A, |
длительностьобратноговыброса t и ам- |
|||
плитудаобратноговыброса A (рис.1), |
которыезависятотчас- |
|||
тотнойхарактеристикиЛЗ; |
В |
|
|
|
|
|
|
||
|
-волновоесопротивление дляЭЛЗилиZвх ивыходнойZвых |
|||
импедансы дляАЛЗ,которыеопределяютусловиясогласованияЛЗ |
||||
|
|
5 |
|
|
A
0.9 |
1 |
|
2 |
||
|
||
0.5 |
A=1 |
|
0.1 |
t |
|
|
||
|
t |
1- радиочастотное заполнение импульса;
2 - огибающая импульса
Рис.2. Идентификация параметров радиоимпульсов
с источником сигнала и нагрузкой. Эти параметры необходимы как прирасчетеоптимальногоэнергетическогорежимаЛЗсточкизрения передачи сигнала, так и при выполнении мероприятий по устранениюложныхсигналов;
-затуханиепередаваемого сигналаL, которыйвыражаетвеличинупотерьвдецибелах
|
P |
|
A |
, |
(4) |
L 10lg |
вх |
20lg |
вх |
||
P |
A |
||||
|
вых |
|
вых |
|
|
где Pвх - мощность, развиваемая источником сигнала на нагрузке,подключаемойкЛЗ;
Pвых -мощность,развиваемаянатойженагрузке,при включениимеждуисточникоминагрузкойлиниизадержкикак четырехполюсника;
Aвх иAвых -максимальныезначенияимпульсногонапряжения навходеивыходеЛЗсоответственно.
6
-температурныйкоэффициентзадержки ЛЗ.Рабочийдиапазонтемпературобычносоставляетот120 до150градусов.Приэтом изменениеэлектрическихпараметровЛЗ исчисляется единицами процентов,чтоневсегдаприемлемо.
-добротность – отношение времени задержки tз к длительностифронтаимпульсаtз
Q |
tз . |
(5) |
|
tф |
|
|
|
|
|
2.3. Кабельные(коаксиальные)ЛЗ
Кабельнаялинияпредставляетсобойконструкциюиздвух цилиндрическихпроводящихповерхностей,расположенныхконцентрическидруготносительнодругаиизолированыхгибкимдиэлектриком(рис.3). Дляувеличения гибкости внешняя проводящая поверхность выполняется в видеоплетки,ацентральная из многожильного провода.Материалом изоляции служит стабилизирован- ныйполиэтиленилифторопласт-4.
Согласно эквивалентнойсхемы(рис.3,б)первичнымиэлектрическимипараметрами кабельной линииявляются погонные индуктивность L1, емкостьC1,сопротивлениепотерьв проводникахR1 ипроводимостьизоляции G1.Конструктивнымипараметрамиявляются диаметр внешней оболочкиD,диаметр внутреннего проводникаdидиэлектрическаяпроницаемость .
Длялиниибезпотерь(R1=G1 0)скоростьраспространенияволн υи волновоесопротивление независитотчастотыимогутбытьрассчитаныпоформулам
|
|
1 |
|
, |
L1 |
. |
(6) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||
L1C1 |
C1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
Время задержки tз зависитотскорости и длина линииl
7
t |
|
|
l |
l |
|
. |
(7) |
|
з |
L C |
|||||||
|
||||||||
|
|
|
1 1 |
|
|
Скорость , волновоесопротивление ивремя tз можно выразитьчерезконструктивныепараметрыввиде
|
c |
; |
|
1 |
60ln |
D ; tз l |
, |
|
(8) |
|
|
|
|
|
|
|
d |
c |
|
|
|
где c-скоростьсвета. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
l |
|
|
1 |
|
L |
R |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
d |
|
|
G |
C |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
а – конструкция; б – эквивалентная схема; 1 – внешняя проводящая оболочка (оплетка); 2 – изоляция; 3- центральный проводник
Рис.3. Отрезок кабельной (коаксиальной) ЛЗ длиной l Активныепараметры линииR1 иG1 зависятотчастоты.По этойпричине наблюдается частотная зависимость передачисигналов. Поэтому наблюдается не только затухание импульсного сигнала, но также искажение его формы [5]. Искажения формы импульсного сигнала будут отсутствовать, если параметры кабельной линии удовлетворяютусловию(линиябезискажений)
R1 |
|
G1 |
(9) |
|
L |
C |
|||
|
|
|||
1 |
1 |
|
КабельныеЛЗцелесообразно применятьв аппаратуренаносекундногодиапазона.
8
|
5 |
|
3 |
|
|
4 |
|
|
2 |
|
1 |
|
4 |
|
3 |
|
2 |
|
1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а – гибкая; |
б – жесткая |
Рис.4. Конструкция спиральных ЛЗ
2.4.СпиральныеЛЗ
С цельюуменьшения скорости распространения волн в кабельной ЛЗ,аследовательноиеедлины,изготовляютспециальныекабелисоспиральнойнамоткойвнутреннегопроводаиспиральные ЛЗсжесткойконструкцией. СпиральнаяЛЗ гибкой конструкции(рис.4,а)содержитгибкийдиэлектрическийстержень1,накоторыйсшагомнаматывается круглыйилиплоскиймедныйпроводник 2ипомещается вэкран3,выполненный ввидеоплетки.Пространствомеждуэкраномиспиральюзаполняетсяэластичнымдиэлектриком4. СнаружиЛЗ покрывается защитнойоболочкой.Вкачестве диэлектрика обычно используют стабилизированныйполиэтилен,а оболочки–полихлорвинил.
Гибкие ЛЗ обеспечивают задержкуот нескольких сотых до 3 мкс/м. Времязадержкиравно
|
|
|
|
|
1 1 q2 |
ctg2 , |
(10) |
tз l |
|
|
|||||
c |
|
|
|||||
|
|
|
4,6lgq |
|
гдеtз -времязадержки,с;
-диэлектрическаяпроницаемость; l-длиналинии,см;
-уголподъемаспирали;
9
c-скоростьсвета,см/с;
D и d - внутренний диаметр внешнего проводника и наружныйдиаметрспиралисоответственно.
ЖесткаяспиральЛЗоткрытоготипа(рис.4,б)состоитиз сплошногожесткогодиэлектрическогостержня1,накоторыйнанесенрядпродольныхметаллизированныхслоев2,спираль3может бытьвыполненаввидесплошнойнамоткиизолированныммедным проводом.Спиральпокрываетзащитнойпленкой4.Еслиспиральнаматывается голымпроводомсшагом,тометаллизированныйстержень1 предварительнопокрывается изолирующей пленкой.
2.5.Искусственныелиниизадержки(ИЛЗ)
Вмалогабаритнойаппаратуреосновноеприменениенаходят ИЛЗ,простейшиеизкоторыхсостоятизнекоторогочисла kкаскадно соединенныхфильтровнижнихчастот(рис.5).Такиелинииносят названиеИЛЗтипаК.
Однородную кабельную линию можно рассматривать как линию, состоящую из бесконечно большого числа элементарных ячеек, подобных фильтрам нижним частот, параметры которых бесконечно малы. ИЛЗ можно рассматривать в качестве грубой модели кабельной линии. В качестве эквивалентного волнового сопротивления ИЛЗ,показанныхнарис.5,следуетприменятьвеличину
|
L |
, |
(11) |
|
|||
|
C |
|
гдеLиC-индуктивностьиемкостьячейкисоответственно. Продолжая аналогию можно предположить, что в соответ-
ствиисформулой(4)времязадержкиИЛЗбудетравно
tз k LC , |
(12) |
гдеk-количествозвеньев. 10
При анализе ИЛЗ с ячейками типа К полагают, что в полосе прозрачности такой фильтр нагружен на характеристическое сопротивление,апотеривегоэлементахотсутствуют.Полосапропускания зависит от параметров одной ячейки, а именно от частоты среза, определяемогоформулой
|
|
|
|
fс |
1 . |
|
|
(13) |
L |
|
|
L |
|
LC |
|
|
|
L |
L |
|
L |
L |
L |
|
||
2 |
2 |
|
|
|||||
|
C |
C |
C |
|
C |
C |
C |
C2 |
|
|
2 |
||||||
а – из Т-образных звеньев; |
б – из П-образных звеньев |
|||||||
|
|
Рис.5. Схема искусственных ЛЗ |
|
|
Добиться полного согласования фильтра практически не удается, так какегохарактеристическоесопротивлениезависитотчастоты
Z |
|
1 |
f f |
c |
2 ; |
(14) |
|||
Т |
|
|
|
|
|
|
|
||
ZП |
|
|
|
|
|
, |
(15) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 f |
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
fc |
|
|
|
|
гдеZT,ZП -характеристическиесопротивленияТ-образногои П-образногозвеньевфильтрасоответственно.
Реальнаяамплитудно-частотнаяхарактеристика(АЧХ)ИЛЗ отличаетсяотидеальной(пунктирнаялиниянарис.П6,а).Изэтого рисункавидно,чтофильтрблизоккидеальномулишьдлячастот, достаточномалыхпосравнениюс частотой fc.
Фазо-частотнаяхарактеристика(ФЧХ)(рис.6,б)такжели- нейна в узкомдиапазоне частот,непревышающем (0,2-0,3) fc.Задержкасигнала[5],производимаямногозвеннойИЛЗ,согласноформуле(12),почтивточностипропорциональначислузвеньев.Однако полосапропускания fВ k-звенногофильтраменьшеполосы fc.
11
Uвых |
|
|
|
Uвх |
|
|
|
1 |
|
|
|
0 |
1 |
ffC |
0 |
|
а – АЧХ; |
|
|
1 |
f |
б – ФЧХ |
fC |
|
Рис.6. Характеристики искусственной ЛЗ
Сувеличениемчислазвеньевонасужаетсяпозакону
f |
В |
|
fс |
|
|
|
1 |
|
. |
(16) |
||
|
|
3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
k |
LC |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
При расчете ИЛЗ время задержки tз и допустимое значение длительности фронта tф заданы. Согласно работе [5] для ИЛЗ справедливо
tф |
0,36. |
(17) |
|
fВ |
|
|
Отсюдасучетомформул(12)и(16)определяемнеобходимое числозвеньев
|
|
t з |
|
3 |
. |
(18) |
|
k 1,2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|||
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решаясовместно(П11)и(П12),находимпараметрыИЛЗпри согласованииееснагрузкой
L |
tз |
; |
c |
tз |
. |
(19) |
|
k |
k |
||||||
|
|
|
|
|
КромеИЛЗнаосновезвеньевтипаКприменяюткорректированныеИЛЗсячейкамитипа m.Приэтомдостигаетсяуменьшается уменьшениечислазвеньевдодвухраззасчетулучшенияФЧХли-
12
нии.Наиболееширокоеприменениенашлипростейшиекорректированныезвенья, вкоторыхсоздается взаимнаяиндукциямеждуин- дуктивнымиэлементамизвена(рис.7).Ноиз-заусложнениякон- струкциизаметногоуменьшениямассыигабаритовполучитьнеудается.
|
|
|
L |
|
|
|
|
L |
|
|
||
|
|
|
+M |
|
+M |
|||||||
|
|
|
2 |
|
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C
Рис.7. Ячейка искусственной ЛЗ типа m
с индуктивной связью между катушками звена
2.6.АкустоэлектронныеЛЗ
ПринципработыАЛЗ(рис.8)основаннапреобразовании электрическихимпульсоввимпульсыультразвуковыхколебанийна входномконцеАЛЗ,распространениивозбуждаемойприэтомакустическойволнывзамкнутомобъеме(звукопроводе)иобратном преобразованиипринятыхакустическихволнвэлектрическиеимпульсынавходномконцеАЛЗ.Таккакскоростьраспространения акустическихволнвсплошныхсредахпримерноот104до105 разменеескоростисвета,тоиспользуяАЛЗ,удаетсяосуществить задержку импульсовназначительноевремяприумеренныхразмерах звукопровода.
Преобразование электрических сигналов в ультразвуковые и обратно производится посредством электромеханических преобразователей.Принципихработыоснованнаиспользованиипьезоэлек трическогоилимагнитострикционногоэффекта.
Вчастности,вкачествепреобразователяможетбытьисполь-
13
зованатонкаякварцеваяпластинка, устанавливаемаяперпендикулярно к направлению распространению акустической волны. Электромеханическийпреобразовательконструктивноизготавливаетсятаким образом, чтобы он возбуждал плоскую волн в ближней зоне. В этом случае в звукопроводе создается направленное излучение акустическихволн.
Обычно АЛЗ предназначаются для работы в электрических цепях с радиоимпульсами, собственная частота преобразователя при этомвыбираетсяравнойилиблизкойчастотарадиоимпульса.
ПриподаченавходАЛЗвидеосигналапреобразовательведет себя как дифференцирующая цепочка, вызывая недопустимо большие искажения сигнала. Поэтому видеоимпульс предварительно преобразуется в радиоимпульс с соответствующей частотой заполнения. Структурнаясхема устройстванаАЛЗспьезоэлектрическими преобразователями показана на рис. 8. Видеоимпульс поступает на модулятор 1, который преобразует его в радиоимпульс. АЛЗ содержит входной и выходной преобразователи 2 и звукопровод 3. Радиоимпульс входным преобразователем АЛЗ преобразует в акустический импульс, который распространяется по звукопроводу к выходному преобразователю. Радиоимпульс, снимая с выхода АЛЗ, усиливается(блок4)ипоследетектирования(блок5)преобразуетсяв выходнойвидеоимпульс.
Материал,используемыйдляпьезоэлектрическихпреобразователейАЛЗ,долженудовлетворятьрядутребований:иметьмалые
1 |
|
|
3 |
|
|
4 |
|
5 |
2 2
Рис.8. Структурная схемаустройства на АЛЗ потерипреобразования,хорошуютемпературнуюстабильность,ме-
ханическую прочность и др. На частотах до десятков МГц наиболее полноэтимтребованиямудовлетворяетплавленыйкварц.
В АЛЗ могут использоваться продольные и поперечные волны. Скорость распространения поперечных волн на 1/3 меньше, чем
14
продольных, поэтому АЛЗ предпочтительно использовать поперечные волны, которые можно возбудить, используя кварцевые пласти- нысY-срезом,атакжепластиныстермостабильнымиXY-срезами.
Толщинапластиныd(мм)зависитотрезонанснойчастоты f0 (МГц)
d |
kc , |
(20) |
|
f0 |
|
|
|
|
|
гдеkc= (от2,6до4)–коэффициент,зависящийотсреза. Преобразователи также изготовляются из пьезокерамики
(например,ЦТС-23,ЦТС-24).
Материал звукопроводов должен быть по возможности более однородным, так как неоднородности приводят к отражению волн и появлению паразитных сигналов на выходе ЛЗ. В качестве звукопроводов применяют магниевые сплавы для низкочастотных ЛЗ, плавленный кварц для выокочастотных ЛЗ, а также термостабильноестекло. Приоченьвысокихчастотах(атакжедляширокополосных ЛЗ) используется звукопровод из монокристаллов кварца, сапфира и т.п. Примером ЛЗ со стеклянным звукопроводом может служить ЛЗ на 64 мкс, используемая как элемент памяти в блоке цветностителевизоров.
Времяtз задержкиАЛЗопределяютскорость а идлинаlпути акустическойволны
tз |
l . |
(21) |
|
a |
|
|
|
|
|
Есливремязадержкинепревышаетдесятковмикросекунд, возможноиспользованиезвукопровода в видестержня(илипластины),вкоторомакустический луч распространяется по прямой.
ДляуменьшенияразмеровЛЗиспользуетсямногократноеотражениеакустическихволн.Вариант возможнойконфигурациизвукопроводапримногократномотражениисигналапоказаннарис.9.
ЧастотныйдиапазонАЛЗопределяетсячастотнымисвойствамипреобразователейизвукопровода.Частотныесвойствазвукопроводазависятотматериалаиегоконструктивныхразмеров.Резонанснаячастотапреобразователяпропорциональнаодномуизразме-
15
ровпластинкипреобразователя.Привозбуждениипоперечныхволн этачастота,согласноформуле(20),определяетсятолщинойпластины исоставляет a/2,где a -длинаакустическойволнывматериале преобразователя.
Ширина полосы пропускания АЛЗ зависит от степени согласования акустических волновых сопротивлений звукопровода и преобразователей. Практически она не превышает 50 % от резонансной частотыпреобразователя.
Затухание в АЛЗ на объемных волнах обусловлено расхождением акустического луча и затуханием акустических волн в материале звукопровода. Затухание подчиняется закону e- l, где l - длина пути волны в звукопроводе, а = (f) - коэффициент затухания на единицудлины, зависящийот частоты f. С учетом этого затухания L (вдецибелах)выражаетсяформулой[5]
|
Pвх |
|
a |
|
, |
(22) |
||
L 10lg |
20lg 0,43 l lg |
0,23 |
||||||
P |
|
|||||||
|
|
Rf |
2 |
|
|
|
||
|
вых |
|
|
|
|
|
где a -фазоваяскоростьраспространенияакустическихволн; R-эффективныйрадиуспреобразователя.
1
3
2
1 – входной преобразователь; 2 – выходной преобразователь; 3 - звукопровод
Рис.9.АЛЗсмногократнымотражением 2. ДОМАШНИЕзадерживаемогоЗАДАНИЯИМЕТОДИЧЕСКИЕсигнала
16
3.ДОМАШНИЕЗАДАНИЯИМЕТОДИЧЕСКИЕ |
4.КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ КДОМАШНЕМУ |
УКАЗАНИЯ ПОИХВЫПОЛНЕНИЮ |
ЗАДАНИЮ |
3.1.Задание№1.Электрическиепараметры ЭЛЗ и АЛЗ. |
|
Методическиеуказанияповыполнениюпервогозадания |
1.ОбъяснитефизическиеосновыфункционированияЭЛЗ |
|
2.ОбъяснитефизическиеосновыфункционированияАЛЗ |
Длявыполнениязаданияизучитьсистемыэлектрическихпа- |
3. Какимобразом поосциллограммеопределитьпараметры и |
раметровЭЛЗиАЛЗ[1,с.317-318],[2,с.564-567].Краткиесведения |
времязадержкиимпульса? |
осистемахэлектрическихиконструктивныхпараметровЛЗприве- |
4.ОбъяснитеконструкциюкоаксиальнойЭЛЗ. |
денывприложении1настоящегоруководства. |
5.ОбъяснитеконструкциюспиральнойЭЛЗ. |
При выполнении задания необходимо оформить заготовку |
6.ОбъяснитеконструкциюЭЛЗссосредоточеннымипосто- |
отчета по всей работе, которая должна содержать номер, наименова- |
янными. |
ние,цельработы, всепункты домашнихзаданийирезультаты ихвы- |
7.ОбъяснитеконструкциюАЛЗспьезоэлектрическимипре- |
полнения, первый пункт лабораторного задания и его наименование. |
образователями. |
Каждое из выполненных заданий должно быть поименовано, напри- |
|
мер:"Первоедомашнеезадание. Системыэлектрическихиконструк- |
5.ЛАБОРАТОРНЫЕЗАДАНИЯИМЕТОДИЧЕСКИЕ |
тивныхпараметровЛЗ". |
УКАЗАНИЯПОИХВЫПОЛНЕНИЮ |
При выполнении работы обратитьвниманиена существен- |
5.1.Изучение лабораторного стендаиподготовка егок ра- |
ныеотличияпопринципудействияЭЛЗиУЛЗ. |
боте |
3.2. Задание№2.ИзучениеконструкцийЭЛЗиУЛЗ. |
Структурнаясхема лабораторногостендаприведенана |
Методическиеуказанияповыполнениювторогозадания |
рис.10. Вегосоставвходятгенератор1импульсныхсигналов,иссле- |
|
дуемаялиниязадержки2идвухлучевойосциллограф3.Импульсс |
Длявыполнениязаданияполитературнымданнымизучить |
выходагенератора1поступаетна вход линии2ипервыйвходосцил- |
основныеконструкцииЛЗ.МатериалыЭЛЗиАЛЗприведеныв[2,с. |
лографа3. Задержанныйимпульспоступаетнавторойвходосцилло- |
567-585],[5,с.97-111].КраткиесведенияоконструкцияхЛЗприве- |
графа3. Синхронизация осциллографаосуществляется импульсом, |
денывприложении1настоящегоруководства. |
поступающимс выхода генератора.Формированиерадиоимпульсов |
Вразделотчета"Второедомашнеезадание"занестиэскизы |
производитьпутемимпульсноймодуляциисигналов,поступающихс |
конструкцийкоаксиальной,спиральнойиссосредоточеннымипара- |
выхода ГСС типаГ4-102, входящегов состав лабораторногостенда. |
метрамиЭЛЗ,атакжеАЛЗспьезоэлектрическимипреобразователя- |
Разъемы, расположенные на лицевой панели генератора, |
ми.ПриэтомдлякаждогоэскизаЛЗдолжнобыть приведенократкое |
предназначены: |
описаниесуказаниемназначенияосновныхпараметровиособенно- |
Х1–дляподключениявходасинхронизацииосциллографа; |
стейконструкции. |
Х2–дляподключенияпервоговходаосциллографа; |
|
Х3–дляподключениявтороговходаосциллографа; |
|
Х4–дляподключениявходакабельнойЛЗ; |
17 |
18 |