УДК 620.179.16
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС.
ДЕТЕКТОР АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В.А. Бархатов, A.C. Семухин, Р.Я. Валиева
Приведена схема электрическая принципиальная детектора акустических сигналов ультразвукового измерительного комплекса.
Ранее, в работах [1, 2] опубликована информация об "Ультразвуковом измерительном комплексе". Данная универсальная установка предназначена для измерения задержки и амплитуды акустических сигналов, скоростей ультразвуковых волн, затухания и т. д. Авторы продолжают публикации принципиальных схем основных модулей установки. В данной работе рассматривается детектор акустических сигналов.
Часто при акустических измерениях возникает необходимость определения амплитуды эхосигнала. Причем измерения должны проводиться в условиях, когда на развертке ультразвукового дефектоскопа присутствуют несколько эхосигналов. Как правило, требуется выбрать какой-либо конкретный сигнал и измерить его амплитуду. Для этого нужно провести селекцию сигнала во времени и преобразовать ультразвуковой высокочастотный импульс в уровень постоянного напряжения. Тогда измерение амплитуды производится обычным цифровым вольтметром.
Данные операции выполняет детектор акустических сигналов. Его принципиальная схема показана на рис. {.Детектор имеет следующие
электрические характеристики.
Погрешность преобразования амплитуды
эхосигнала в постоянное напряжение, дБ................................................................................±0,2
Диапазон частот входных сигналов, МГц................................................................................0,4—!5
Диапазон амплитуд входных сигналов............................................................................................10 мВ — 2,0 В
Эффективное напряжение шума, приведенное к входу, мкВ..............12
Входное сопротивление, кОм..........................................................................................................................не менее 1
Входная емкость. пФ........................................................................................................................................................не более 10
Выходное сопротивление, Ом........................................................................................................................не более 4
Питание от двух источников, В..................................................................................................................(+15)—(-15)
Ток потребления от источников, мА................................................................................................не более 25
Детектор акустических сигналов содержит входной эмиттерный повторитель УТ1, временной селектор УТ2, УТЗ, схему стробирования 01.1, УТ4, пиковый детектор А1, УТ7, УТ8 и выходной усилитель А2. Исследуемые высокочастотные сигналы поступают на вход эмиттерного повторителя УТ1, который осуществляет развязку последующей схемы от входной цепи. Далее сигналы передаются на временной селектор, собранный на нолевых транзисторах УТ2, УТЗ. Транзистор УТ2 и резистор И9 образуют делитель напряжения. Последовательно с ним установлен второй делитель на элементах УТЗ, ЯП. Высокочастотные сигналы передаются через делитель, если каналы транзисторов открыты. В противном случае, когда каналы транзисторов закрыты, сигналы ослабляются делителями. Последовательное включение двух делителей улучшает ослабление сигналов. Управление состоянием селектора "открыт" — "закрыт" осуществляется с помощью ключа УТ1 и логического элемента БЫ. Подача уровня логический 1 на вход 01.1 отрывает селектор, логический 0 закрывает его.
Временной селектор ключевого типа обладает одним недостатком. Фронты импульсов открывания и закрывания очень короткие (около 15 не). Поэтому имеет место паразитное прохождение фронтов в канал высокочастотных сигналов через емкость между каналом и затвором полевого транзистора и емкости между проводниками на печатной плате. Что
Ультразвуковой измерительный комплекс.
33
3 Дефектоскопия, № 8, 2003
34
В. А. Бархатов, А. С. Семухин, Р. Я. Валиева
естественно сказывается на измерениях амплитуды ультразвукового сигнала. Уменьшение этого эффекта достигается установкой фильтра нижних частот в цепь управления затворами транзисторов VT2, VT3. Фильтр образован элементами R6, С7, R10.
С выхода временного селектора (резистор R11) сигнал поступает на пиковый детектор. Пиковый детектор состоит из широкополосного дифференциального компаратора Al, усилителя обратной связи VT7, VT8, детектора VD5 и интегрирующей цепи R19, С14, R20, С16. Схема работает следующим образом. Исследуемый высокочастотный сигнал подается на один вход компаратора Al (контакт5). На второй вход (контакт 7) поступает постоянное напряжение от интегрирующей цепи R19, С14. Компаратор сравнивает указанные сигналы. Если высокочастотный сигнал превышает постоянное напряжение, то компаратор передает сигнал на базу транзистора VT7. Сигнал затем усиливается транзистором VT8. Передается через трансформатор Тр1 на детектор VD5 и, в итоге, увеличивает постоянное напряжение на интегрирующей цепи. Обратная связь замыкается. Схема поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С14 равным амплитуде высокочастотного входного сигнала. Цепь R20, С16 осуществляет дополнительное сглаживание медленно меняющегося постоянного напряжения.
Усилитель А2 является конечным каскадом схемы. Он выполняет масштабирование постоянного напряжения и осуществляет развязку импеданса нагрузки (вольтметра) от пикового детектора. Усилитель собран по традиционной схеме.
Необходимо отметить некоторые особенности проектирования печатной платы детектора. Следует тщательно продумать расположение элементов схемы на печатной плате. Особое внимание нужно обращать на контуры сигнальных цепей, проходящих между каскадами детектора и цепями питания. Площади контуров указанных цепей должны быть минимальными. Рекомендуем применять пассивные элементы минимальных размеров, Chip-резисторы и Chip-конденсаторы типоразмеров 1206 и 0805. Дополнительно необходимо заполнить свободное место печатной платы сплошным слоем металлизации, который экранирует сигнальные цепи от паразитных излучений. Сигнальные цепи лучше всего расположить на внутреннем слое печатной платы, а экранные слои металлизации — на внешних слоях с двух сторон. Между экранирующими слоями необходимо установить 20—30 металлизированных отверстий, соединяющих слои. Отверстия располагаются равномерно по всей поверхности печатной платы. Экранирующие проводники подключаются к общему проводу схемы.
При соблюдении данных рекомендаций детектор прекрасно работает и обеспечивает приведенные электрические характеристики.
Институт физики металлов Поступила в редакцию
УрО РАН 11 апреля 2003 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бархатов В. А., Валиева Р.Я. Ультразвуковой измерительный комплекс. Модуль синхронизации.— Дефектоскопия, 2000, № 2, с. 17—28.
2. Б а р х а т о н В . А ., Семухин А . С. Ультразвуковой измерительный комплекс. Приемник акустических сигналов.—Дефектоскопия, 2001, № 6, с. 39—41.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.