Блок возбуждения для ВТП
Работа из раздела: «
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
