Реферат: Блок возбуждения для ВТП

Техническое задание к курсовому проекту.

Разработать:

Блоквозбуждения для дефектоскопии плоской поверхности ферромагнитных объектов.

Устройство включает в себя :

1.Генератор дискретной (синусоидальной) частоты с параметрами:

макс. диапазончастот:1КГц-2,5МГц

(рабочий диапазончастот задает оператор в пределах максимального);

ток: 10 мА;

число дискретов вдиапазоне: 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 витковизмерительной катушки: задается оператором от 10 до 20;

диаметр возбуждающей катушки: от 4 до 20 мм;

диаметризмерительной катушки: задается оператором от 4 до 20 мм;

длина катушек: от 2 до15 мм:

Свойстваобъектов контроля:

m=1-10;

s=5-10 MCм/м;

Площадь контролируемого участка S=5см2;

Основные технические характеристики

и условия эксплуатации:

· габариты: 100х50х100 (мм);

· масса: не более 0,3 кг;

· диапазон рабочих температур: от 5до 45 оС;

· влажность: от 30 до 90%;

· давление: от 700 до 800 мм.рт.ст.;

1.Введение.

Вихретоковыеметоды контроля основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитногополя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой вэлектропроводящем объекте контроля. В качестве преобразователя используют обычноиндуктивные катушки. Синусоидальный ток, действующий в катушках ВТП, создаетэлектромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящемобъекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на измерительнуюкатушку преобразователя, наводя в ней ЭДС или изменяя ее полное электрическоесопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки, получают информацию освойствах объекта и о положении преобразователя относительно него. Особенностьвихретокового преобразователя в том, что его можно проводить без контактапреобразователя и объекта. Получение первичной информации в виде электрическихсигналов, бесконтактность и высокая производительность определяют широкиевозможности автоматизации вихретокового контроля. Одна из особенностей ВТМ состоитв том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давлениеи загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнениеповерхности объекта контроля непроводящими веществами. Однако им свойственнамалая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитногополя в контролируемую среду. Сильное влияние на полученные результаты оказывают нелинейныеискажения сигнала, подаваемого на задающую катушку. Для обеспеченияуниверсальности, установка начальных условий, а также обработка полученнойинформации современных преобразователей должна осуществляться при помощикомпьютеров, тогда каждый режим работы преобразователя будет обрабатыватьсяотдельной программой. В данной работе разрабатывался генераторсинусоидального сигнала для накладного вихретокового преобразователя, амплитудатока в котором порядка 10 мА, а нелинейные искажения порядка 1%. Частотасигнала должна задаваться программным путем, с использованием микропроцессорнойтехники.

Нижеприводятся типы уже существующих преобразователей:

Тип

Частота тока
возбуждения, кГц

Скорость
контроля

Объект контроля Вид дефекта

ВД‑30П
ВД‑31П

4; 16; 64; 300

0,5‑3
0,5‑4

Ферро- и неферро-магнитные прутки
и трубы 1‑47 мм

Трещины, раковины,
плены и т.д.

ВД‑23П 130; 1000; 20000 0,5‑5 Проволока 0,02-5мм

Расслоения, трещины
заусенцы

Дефектомат
2.189

0,2; 2,5; 10; 30; 90 1,2; 5; 15

Трубы и прутки
3‑135 мм

Трещины, раковины,
плены

2. Структурная схемаразрабатываемого устройства.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>

БВ

ВТП

БО

АЦП

Порты ввода/вывода

ЭВМ

· БВ — блок возбуждения; (нужно разработать в этом семестре)

· ВТП — вихретоковыйпреобразователь;

· БО — блок обработки;

· АЦП — аналого-цифровойпреобразователь;

· ОК- объект контроля;

3. Блок возбуждения(БВ).

Блоком возбуждения в данномустройстве является широкополосный генератор напряжения синусоидальной формы. БВсостоит из синтезатора частот (СЧ) и

формирователя сигнала (ФС)заданной формы. Рассмотрим их структурные и электрические схемы более подробно.

Блок возбуждения

3.1. Структурная схемаСЧ.

/> /> /> /> /> />

/> /> />

: М

ОГ

ГУН

ФЧД

/>/>/>/>/> /> />

/>/>

fc — частотасигнала подающегося на вход формирователя сигнала

3.1.1. Опорныйгенератор (ОГ).

В качестве ОГ выбираемгенератор с кварцевым резонатором на 16 МГц микросхема РК374.

3.1.2. Счетчики-делители частоты Mи N.

/>СчетчикМслужит для задания шага изменения частоты. Счетчик N необходим для обеспечения сетки частот изменяющихся сзаданным шагом fог/M. Предполагаетсячто счетчики управляются цифровым кодом с ЭВМ. Выбираем счетчики серии КР1554ИЕ10 (аналог-74ALS161AN фирмы National,USA). Микросхема КР1554ИЕ10 — эточетырехразрядный двоичный синхронный счетчик. Счетчик запускается положительнымперепадом (фронтом) тактового импульса на входе С. Сброс всех триггеровсчетчика в нулевое состояние осуществляется по общему входу R(инв.).Режим параллельной загрузки информации устанавливается подачей напряжениянизкого уровня на вход разрешения параллельной загрузки PE(инв.), при этом предварительно установленная на входах D0...D3 информацияпо фронту импульса на входе С записывается в триггеры счетчика. Для синхронногокаскадирования микросхема КР1554ИЕ10 имеет вход разрешения счет ЕСТ, входразрешения переноса ЕСR и выход переноса CR. Счетчиксчитает тактовые импульсы, если на входах ECT и ECR поданонапряжение высокого уровня. Вход ECR последующего счетчика соединяется со входом CR предыдущегосчетчика.

Условно-графическоеобозначение

КР1554ИЕ10

Таблица назначения выводов

R(инв.)

ECT

PE(инв.)

ECR

D03

D02

D01

D00

Ucc

вход установки в состояние «лог. 0»

вход тактовый

вход данных

вход разрешения счета

общий вывод

вход разрешения парал. загрузки

вход разрешения переноса

выход данных

выход переноса

напряжения питания

Предполагается чтоцифровые входы данных D0...D3, а также входы R(инв.), ECT, ECR и PE(инв.) будут управлятьсяс ЭВМ, соответствующим программным и аппаратным обеспечением .

3.1.3. Фазово-частотныйдетектор (ФЧД).

Если на схему ФЧД приходятравные частоты fог/M и fвых/N то из условия равенства этих частот получаем />. В качестве ФЧД выбираем ИМС исключающее « или » серии К155ЛП5 (Аналог 74ALS86).

3.1.4. Генераторуправляемый напряжением (ГУН).

ГУН — генератор, частотакоторого пропорциональна управляющему напряжению. Выбираем ИМС К531ГГ1 (Аналог74S124N).

Микросхема531ГГ1-представляет собой два генератора. Частота каждого генераторауправляется 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 на16МГц. 16,15 — Uп; 9,8-общий вывод. Для обеспечения заданногодиапазона частоты ко входам 4-5 присоединяем конденсатор емкостью с=2 пФ (КД‑1‑2пФх100В).

3.1.5. Интегратор.

Для управления работой ГУНслужит интегратор на операционном усилителе

Параметры R и С выбираем из условия, чтопостоянная времени интегрирования должна быть больше максимальной длительностисигнала в 10 раз.

т.е. RC>10 мс.
tи=R*C>10*T<sub/> ;

T=1/f=1/1КÃö=1мс;

ВыбираемR=100 КОм (МЛТ-0.25-100 кОм ±5%) ;
С=1 мкФ (К50‑6‑1мкФх6.3 В);

Таким образом постояннаявремени интегратора будет tи=R*C=100 мс;

Интеграторвыполним на основе быстродействующего ОУ 544УД2:

Ku=20000;

Uсм=30 мВ;

Iвх=0.1 нА;

f1=15 МГц

Выходноенапряжение интегратора будем рассчитывать по формуле:

/> (1)

, где /> (2)

Посчитаемпогрешность интегрирования, связанную с дополнительным напряжением на входе ОУиз-за неидеальности его свойств.

DUвх=IвхR=1.10-3 В

dUвх=DUвх/Uвх=2.10-4%

Относительнаяошибка интегрирования:

g=tи/2tC=10-5

Íàéäåì÷àñòîòó wâ : wâ=1/(Ku+1)RC=2.10-4 Ãö.

3.2. Формировательсигнала (ФС).

Формирователем сигналазаданной формы является восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательнойзагрузкой и параллельной выгрузкой КР1533ИР8 (Аналог74ALS164). Микросхема КР1533ИР8 представляет собойвосьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательной загрузкой и параллельнойвыгрузкой. Наличие двух входов последовательной загрузки A и B позволяетиспользовать один из них в качестве управляющего загрузкой данных: низкийуровень напряжения хотя бы одном из них по положительному фронту тактовогоимпульса устанавливает первый триггер регистра в состояние низкого уровнянапряжения, в то же время <a/>[RU1] высокий уровень напряжения на управляющем входепозволяет по другому входу осуществлять ввод данных в последовательном коде.Частота следования импульсов по входу С — не более 50 МГц, т.е. вполнепригодно т.к. максимальная частота дискретного синусоидального сигнала будет навыходе fвых = 50/16 » 3МГц, что соответствует техническому заданию.

Таблица назначения выводов

CLК

CLR

Vcc

GND

вход информационный

вход тактовый

вход сброса

выход

напряжение питания

общий вывод

КР1533ИР8 формируетдискретный периодический сигнал аппроксимированный функцией /> , где

/> - период ;

16-16 дискретов на периоде ;

n — номер текущего дискрета ;

При однополярном питанииданный сигнал сдвинут относительно нулевой точки на постоянную составляющую Eп/2.

3.2.1. Расчет номиналов резисторов.

Даннаясхема может обеспечить Rвых=5КОм;

Запишемсистему уравнений для нахождения номиналов резисторов: (3)

Послерасчета и округления до ближайших номинальных значений получаем:

R1=R8=150КОм (МЛТ-0.25-150кОм ±5%);

R2=R7=47КОм (МЛТ-0.25-47кОм ±5%) ;

R3=R6=33КОм (МЛТ-0.25-33кОм ±5%);

R4=R5=27КОм (МЛТ-0.25-27кОм ±5%);

3.2.2 Анализ сигнала на выходе ФС.

Полезный сигнална выходе регистра аппроксимируется ступенчато, что соответственно вносит своипогрешности и искажения. Возьмем сигнал для примера /> с частотой f=1000 Гц и числом дискретов N=16;

/> />

Рассмотримпогрешность на половине периода />

Для аппроксимацииданного сигнала рассмотрим функцию:

/> , где floor(x) — функция, возвращающая ближайшее целое число меньшее илиравное аргументу (х вещественный).

Относительнуюпогрешность пронормируем по истинному значению сигнала

/> (4)

Изобразим в процентном отношении

Рассмотрим спектрсигнала на выходе ФС. Для этого применим разложение в ряд Фурье для периодическогосигнала dcos(t). Найдем коэффициенты для разложения в ряд по косинусам:

/> bk=0 (5)

Так как значениенапряжения на выходе ФС между отсчетами времени

постоянно, тозаменим интеграл на сумму :

/> /> /> /> (6)

/> (7)

/> (8)

Где k — номергармоники в сигнале

Определим коэффициентгармоник в процентах :

/> /> (9)

Спектр сигнала навыходе ФС выглядит следующим образом:/>

Таким образомвидно, что коэффициент гармоник достаточно велик и нужно применить ФНЧ, отсекающийвысшие гармоники спектра сигнала.

3.2.3. Перестраиваемый фильтр управляемый цифровым кодом.

Электрическая схема ФНЧ:

Коэффициентпередачи К(f) такой схемы равен:

/> (11)

R1=1КОм ; R2=R1 ; C=5 нФ.

ЛАЧХ фильтра

Рассчитаемподавление гармоник спектра сигнала в децибелах Kпод :

/> где к -номер гармоники ;

Найдемкоэффициент гармоник после ФНЧ, амплитуды гармоник станут соответственно:

/> (12)

/> />% (13)

что соответствуеттехническому задания (Кгарм < 1 %)

Но нам нужен перестраиваемыйфильтр 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 — цифровойвход 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 динамическихсвойств ЦАП на выходе нужно использовать быстродействующий ОУ с коэффициентомусиления по напряжению не менее 104.

В качестве ОУ выбираем быстродействующий К544УД2

Ku fmax, ÌÃö Uâûõ, Â Uïèò, Â Iïîò, ìÀ 20000 15 10 ±15 7

Схема фильтра управляемогоцифровым кодом:

R=10 КОм ; n=10 (разрядностьЦАП).

/> Rmin=10 КОм (14)

/> Rmax=10 МОм (15)

Так как времяустановления выходного напряжения после подачи кода на

вход ЦАП tуст равно 5 мкс, соответственно частотадискретизации fдискр должна быть не более 200 кГц, а с учетом того что по теореме Котельникова синусоиду можновосстановить лишь при наличии двух дискретов на период, то максимальная частота не может быть выше 100 кГц. То есть С равно:

/> ; С= 1нФ (К50‑6‑1нФх6.3В);

Данный фильтр управляетсяцифровым двоичным кодом N (этот код соответствует коду из синтезатора частот)следовательно изменяя код N будет изменяться

частота сигнала fc, сопротивление резистивной матрицы ЦАП, постоянная времениинтегратор tи и соответственночастота среза фильтра fср.

4. Вывод.

Т.о.блок возбуждения для вихретокового преобразователя обеспечивает подачу нанакладной вихретоковый датчик синусоидального сигнала амплитудой 10 мА во всемдиапазоне частот 1КГц-2.5 МГц, коэффициент гармоник сигнала при этом около0.6%, 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. Микросхемыпамяти. 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, «Высшаяшкола» 1991г.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Описание работы электрической схемы охранного устройства с автодозвоном по телефонной линии

1 Сентября 2013