ДЕТОНОМЕТР

Вимірювання коефіцієнта детонації дозволяють зіставити різні магнітофони за величиною суб'єктивно сприйманих частотних спотворень сигналу, що вносяться стрічкопротяжних трактом, а також виявити домінуючі джерела цих спотворень. За допомогою описуваного тут детонометра вимірюється рівень паразитної частотної модуляції з урахуванням особливостей суб'єктивного сприйняття продуктів модуляції. Прилад порівняно простий і нескладний у налагодженні, при цьому він має достатньо високими технічними характеристиками.

Структурна схема детонометра представлена на рис. 1. У приладі використаний метод виміру, заснований на визначенні паразитної частотної модуляції гармонійного сигналу в процесі його відтворення на випробуваному магнітофоні.

Сигнал з виходу магнітофона надходить на вхідний фільтр Z1, що пригнічує низькочастотну наведення і високочастотні перешкоди, що викликають додаткову похибку вимірювання. Вплив паразитної амплітудної модуляції сигналу мінімізується підсилювачем-обмежником U1. Сигнал з його виходу має форму меандру, амплітуда і крутизна фронтів якого практично не залежать від рівня вхідної напруги. Цим сигналом запускається одновібратор D1, що формує прямокутні імпульси з постійною амплітудою і тривалістю.

Паразитна частотна модуляція призводить до тимчасових коливань періоду вхідного сигналу. Тому шпаруватості імпульсної послідовності одновібратора виявляється залежною від глибини частотної модуляції. У свою чергу зміна шпаруватості імпульсів із стабільною формою викликає зміну постійної складової пропорційно глибині частотної модуляції.

Для отримання сигналу, що характеризує коливання швидкості стрічки, використовується фільтр Z2, що має смугу частот 0,2 … 200 Гц, а для виділення складової дрейфу є фільтр нижніх частот з частотою зрізу біля 0,2 Гц.

Після підсилення в А1 сигнал виміру коливань швидкості випрямляється квазіпіковим детектором U2, на вихід якого включений стрілочний індикатор PL

У каналі виміру дрейфу вихідний сигнал фільтра Z3 порівнюється за допомогою диференціального підсилювача А2 з опорною напругою Uоп. Індикатор Р2 вказує ступінь разбаланса зазначених напруг. Тим самим виконується вимірювання повільних відхилень швидкості стрічки від номінального значення.

Основні технічні характеристики

Діапазон вхідних напруг, В

0,05…30

Вхідний опір, кОм

80

Частота вимірювального сигналу, Гц

3150

Межі вимірювання коефіцієнтів коливань швидкості і детонації,%

0,02…3

(Верхні межі 0,1; 0,3; 1,0; 3,0)

Межі вимірювання дрейфу швидкості,%

0,5…5,0

Наведена похибка вимірювань, не більше,%

6

Вихідна напруга генератора вимірювального сигналу, В

1,0

Відносна нестабільність частоти генератора вимірювального сигналу за 30 хв, не більше,%

0,02

Принципова схема детонометра представлена на рис. 2. Вимірювальний сигнал подається з роз'єму XS1 "Вхід" на емітерний повторювач (транзистор VT1). У базову ланцюг транзистора включений смуговий фільтр (R1, R5, C1, C3) і діод-резисторний обмежувач напруги (VD1, VD2, R1), що захищає вхідний і наступні підсилювальні каскади від перевантажень. Сигнал з виходу повторювача емітерний поступає на другий смуговий фільтр (R10, R11, С5, С6).

Максимум спільної амплітудно-частотної характеристики фільтрів близький до частоти вимірювального сигналу. Придушення низькочастотних наводок і високочастотних перешкод за межами смуги прозорості фільтрів підвищує перешкодозахищеність детонометра.

Масштабуйте малюнок розміром вікна браузера

Відфільтрований сигнал подається на двосторонній підсилювач-обмежувач, виконаний на ОП DA2. У ланцюг негативного зворотного зв'язку ОП DA2 включений діодний міст VD4 – VD7 з низьковольтним стабілітронів VD8, робоча точка якого зміщена в область лавинного пробою струмом, що задається резисторами R16, R17. За рахунок цього при вихідних напругах, що не перевищують напруги пробою, коефіцієнт підсилення і швидкість наростання ОП DA2 близькі до максимальних. Якщо вихідна напруга стає порівнянним або великим напруги пробою, замикається ланцюг негативного зворотного зв'язку, що обмежує коефіцієнт передачі операційного підсилювача.

Позитивні імпульси отриманої імпульсної послідовності виділяються на резисторі R18. Фронтом цих імпульсів запускається одновібратор DD1, що формує позитивні імпульси з постійною тривалістю. Значення опору резистора R19 і хронірующей ємності С9 обрані таким чином, що шпаруватості імпульсної послідовності одновібратора близька до двох.

Ці імпульси надходять на ключовий каскад (транзистор VT3), напруга живлення на який подається від параметричного стабілізатора R21, VD10. Основне призначення зазначеного каскаду – підсилення та формування імпульсів із стабільною амплітудою.

Фільтр нижніх частот третього порядку (Чебишева), що виділяє сигнал, амплітуда якого пропорційна паразитної частотної модуляції вхідного сигналу, зібраний на ОП ВАЗ. Частота зрізу фільтра близько 200 Гц, коефіцієнт передачі дорівнює 0,5, а придушення на частоті вимірювального сигналу (3150 Гц) – не менше 80 дБ.

Отриманий сигнал надходить одночасно в канали виміру детонації і дрейфу. На вході каналу виміру дрейфу включений пасивний фільтр нижніх частот R34, С17 з частотою зрізу біля 0,2 Гц. Сигнал на виході фільтра містить повільно мінливу складову, пропорційну середній швидкості магнітної стрічки. Зазначений сигнал подається на неінвертуючий вхід ОП DA5, інвертується вхід якого підключений до регульованого джерела напруги (R32, R35, R42, R46, VD11).

Якщо швидкість стрічки дорівнює номінальній, а напруга на інвертується вході ОП DA5 встановлено рівним середньому значенню вихідної напруги фільтра, відхилення вихідної напруги ОП DA5 від потенціалу нуля в ту або іншу сторону свідчить про відповідний дрейф швидкості стрічки.

Чутливість приладу по каналу дрейфу визначається коефіцієнтом підсилення ОУ DA5 і може коректуватися за допомогою резистора R45. Сигнал з виходу DA5 подається

через резистор R47 і опір каналу транзистора VT4 на вимірювальну головку РА1, а також на вхід двухпорогового компаратора, на ОУ DA7.

Рівні порогів спрацьовування компаратора задаються діодами VD16, VD17, прямо зміщеними за допомогою резисторів R61, R62. Якщо відхилення швидкості не перевершує меж вимірювання дрейфу (5%), то діоди VD16, VD17 залишаються відкритими, а вихідний потенціал ОУ DA7 – негативним. Випливають базовим струмом відкривається транзистор VT6. Що виникає при цьому світіння світлодіода VD19 указує на нормальний режим виміру. Негативним потенціалом відкриваються також польові транзистори VT4, VT5, замикаючи ланцюга вимірювальних головок РА1, РА2.

Відхилення швидкості стрічки, що виходить за задані межі, призводить до перерозподілу струмів у вхідних ланцюгах компаратора, що викликає запирання діода VD16 або VD17. У будь-якому з цих випадків на виході ОУ DA7 з'являється високий потенціал, який запирає ключ на VT6 в ланцюзі світлодіода і транзистори VT4, VT5, комутуючі вимірювальні головки. Тим самим забезпечується захист вимірювальних головок від можливих перевантажень.

На вході каналу виміру детонації включений смуговий пасивний фільтр (R29, С13, R30, С16, R28, С15), амплітудночастотная характеристика якого близька до характеристики суб'єктивного сприйняття детонації.

На ОП DA4 в неінвертуючий включення виконаний масштабний підсилювач. Коефіцієнт передачі цього підсилювача, встановлюваний перемикачем SA2, визначає межі виміру детонації.

З виходу ОП DA4 сигнал, що характеризує коливання швидкості стрічки, подається на роз'єм XS3 "Вихід", до якого можуть підключатися вимірювальні прилади для візуального контролю і аналізу спектра коливань швидкості. Цей же сигнал надходить на двухполуперіодний квазіпіковий вольтметр, виконаний на основі ОП DA6.

Випрямлені напруги виділяються на резистора R52, R53 і поступають на входи диференціального підсилювача з коефіцієнтом передачі, близьким до одиниці. Вихідний струм операційного підсилювача протікає по ланцюгу: резистор R64, канал польового транзистора VT5, вимірювальна головка РА2.

Генератор синусоїдальної напруги з частотою 3150 Гц виконаний на ОП DA1, у ланцюзі позитивного зворотного зв'язку якого включений смуговий RС-фільтр (R3, R4, R8, С2, С4). Стабілізація вихідної напруги здійснюється за допомогою керованого атенюатора, утвореного резисторами R6, R9 і опором каналу польового транзистора VT2. Точна установка частоти генерації здійснюється підлаштування резистором R4. При нормально розімкнутих

контактах перемикача SA1 в ОП DA1 вводиться 100%-ва негативна зворотній зв'язок, зриваються коливання генератора. При включенні перемикача SA1 виникають автоколивання, що поступають на роз'єм XS2 "Генератор" і вхід детонометра. Зазначений сигнал може бути використаний для калібрування каналу дрейфу приладу, а також записи вимірювальної сігналограмми.

Конструкція і деталі. У пристрої використано постійні резистори МЛТ 0,25 з допускається відхилення від номіналу ± 5, ± 10%. Опору резисторів R24, R27, R31, R38 – R41 необхідно підібрати з точністю 2 … 3%. Підлаштування резистори R4, R15, R37, R43, R57 типу СПЗ-22а можуть замінюватися на СПЗ-44, СПО-0, 15. Змінний резистор R35 типу СПЗ-12 або СПЗ-4аМ.

Конденсатори С2, С4 повинні мати малий ТКЕ (КСВ-3, ПМ). Конденсатори С10, С12, С14 – С16 типів К73, К76 з номіналами, які відрізняються від зображених на схемі не більше ніж на ± 5%. Решта конденсатори типів КМ5, КМ6. Оксидні конденсатори К50-6 можуть замінюватися на К50-3, К50-16.

Напівпровідникові діоди VD1 – VD4, VD9, VD18 можуть бути замінені діодами серій КД522, КД509, КД510; VD12-VD16 – діодами Д311, Д312. Стабілітрони VD10, VD11 (Д818Е) припустимо заміняти будь-якими з цієї серії. Світлодіод VD19 (АЛ307) (зеленого кольору) можна замінити на АЛ310. Замість зазначених на схемі можна використовувати транзистори серій КТ315, КТ342 (VT1, VT3), КТ361 (VT6). Коефіцієнт передачі струму бази транзистора VT1 повинен перебувати в межах 150 … 300, транзисторів VT3, VT6 – в межах 50 … 150. Польовий транзистор VT2 допустимо замінювати на КП302 з напругою відсічення, що лежать в межах 1 … 3 В, а транзистори VT4, VT5 – на КП301А, Б.

Операційний підсилювач К574УД1А можна замінити на К544УД2, як DAI, DA7, DA5 можна використовувати К140УД6, а в якості DA3, DA4, DA6 – К544УД1.

Перемикач SA1 – кнопковий, типу П2К, як SA2 можна використовувати галетним перемикач типу ПГ3 або будь-який інший. В приладі застосовано вимірювальні головки типів М1690А (РА2) із струмом повного відхилення 100 мкА і М592 (РА1) із струмом повного відхилення 100 мкА і нулем посередині шкали. Вимірювальні головки можна замінювати іншими зі струмом повного відхилення 50 … 200 мкА. При цьому, однак, буде потрібно коректування опорів резисторів R47, R64 відповідно до методики налагодження, викладеної нижче.

Детонометр можна підключати до будь-якого постійного джерела напруги ± 15 і +5 В з пульсаціями не більше 1 мВ. Споживаний приладом струм від джерел пі-

лення не перевищує 40 мА (15 В) і 50 мА (5 В). Елементи детонометра змонтовані на друкованій платі з фольгированні-ного склотекстоліти розмірами 155X90 мм (рис. 3). Перемички, позначені на рис. 3 суцільними лініями, встановлюються з боку елементів.

На лицьовій панелі приладу розташовані наступні елементи схеми: роз'єми XS1, XS2, XS3, перемикачі SA1, SA2, змінний резистор R35, світлодіод VD19 і вимірювальні головки РА1 і РА2.

Налагодження детонометра починають з перевірки правильності монтажу і напруг живлення на виходах стабілізованого джерела напруги. Після цього переходять до покаскадному контролю працездатності детонометра. На вхід XS1 подають синусоїдальний сигнал частотою 3150 Гц і амплітудою близько 1 В. Переконавшись у проходженні сигналу на неінвертуючий вхід ОП DA2, перевіряють придушення низькочастотних і високочастотних сигналів вхідні смугові фільтри. На частотах 50 Гц і 15 кГц загасання повинно складати близько 40 дБ і 12 дБ відповідно.

Балансуванням ОУ DA2 встановлюють вихідний потенціал підсилювача в межах 0,2 … 0,5 В. Такий зсув ОП практично не робить впливу на якість обмеження, але знижує струм, споживаний ОП DA2 в режимі відсутності вимірювального сигналу.

Для контролю сигналу на виході підсилювача-обмежувача на ОУ К574УД1 слід застосовувати осцилограф, вхідна ємність щупа якого не перевищує 15 … 25 пФ. Припустимо підключати осцилограф через резистор опором 2 … 5 кОм. У разі недотримання цих вимог можливе самозбудження операційного підсилювача. У діапазоні амплітуд вхідних сигналів 0,05 … 30 В повинні спостерігатися прямокутні імпульси з крутими фронтами і шпаруватістю, рівний двом. Виникнення несиметричність обмеження може бути пов'язане з несправністю одного з діодів VD4 … VD7.

Амплітуда позитивних імпульсів на резисторі R18 повинна складати 3,7 … 4,2 В, а на виході одновнбратора DD1 – близько 3,5 … 4,0 В. підстроюванням резистора R19 необхідно встановити шпаруватості вихідних імпульсів одновібратора, рівну двом.

Для отримання зазначеної вище точності детонометра параметри імпульсів на виході ключового каскаду, зібраного на транзисторі VT3, повинні мати цілком певні, стабільні значення. Завдяки використанню прецизійного стабілітрон VD10 (Д818Е) амплітуда імпульсів дорівнює 8,6 ± 0,3 В. У випадку застосування стабілітронів інших типів буде потрібно їх індивідуальний підбір з метою отримання необхідного значення амплітуди.

       

Найбільш просто інтегральна оцінка форми імпульсів проводиться вольтметром постійної напруги з високоомним входом, підключеним до колектора VT3. При частоті сигналу, рівної 3150 Гц, середнє значення напруги в цій точці повинно складати 4,5 В. У противному випадку може знадобитися корекція тривалості імпульсів добором опору резистора R19.

Правильно зібраний фільтр нижніх частот на ОП DA3 в налаштуванні не потребує. Перевірка його працездатності полягає лише в контролі постійного вихідної напруги фільтра, значення якого має дорівнювати 2,25 В.

Після цього перемикач SA2 установлюють на найбільш чутливий межа вимірювання (0,1%) і балансують ОП DA4. Для калібрування двухполуперіодного випрямляча на ОП DA6 тимчасово випаювати ліві по схемою висновки резисторів R49, R50, а точку їх з'єднання підключають до регульованого джерела напруги ± 10 В. Зміні напруги від 0 до ± 8 В повинне відповідати пропорційне збільшення напруги на виході ОП DA6 до 4,5 В і кутове переміщення стрілки вимірювальної головки РА2 до крайньої позначки шкали. Коригування чутливості вольтметра проводиться резистором R64.

Канал виміру дрейфу калібрують у такий спосіб. На вхід приладу подають синусоїдальний сигнал частотою 3150 Гц ± 0,2%. Встановивши резистор R35 у середнє положення, відповідне відсутності зміщення середньої швидкості, балансувальні резистором R43 установлюють стрілку індикатора РА1 у нульове положення. Потім змінюють частоту сигналу на ± 5% щодо 3150 Гц і добором резистора R47 добиваються відхилення стрілки до кінцевої позначки шкали. Далі необхідно переконатися, що крайнім положенням движка резистора R35 відповідає девіація частоти ± 5%. При цьому вихідний потенціал ОУ DA5 повинен складати ± 4 В. Якщо це не так, чутливість коректують підбором резистора R45.

Після цього необхідно встановити поріг спрацьовування компаратора на рівні ± 4,5 … 5,0 В. Для цього частоту сигналу піднімають вище зазначених меж. Встановивши на виході ОП DA5 потенціал близько 4,7 В, змінюють опір резистора R51 до появи стрибків вихідного потенціалу ОП DA7. Потім плавно знижують частоту сигналу. Значення модуля негативного порога компаратора не повинно відрізнятися від позитивного більш ніж на ± 0,2 В. У противному випадку буде потрібно підбір пари діодів VD16, VD17 по прямому опору.

Транзисторні ключі, зібрані на транзисторах VT4, VT5 та VT6, при правильному монтажі в налагодженні не потребують.

Для налагодження вбудованого генератора на ОП DA1 перемикач SA1 переводиться в стан "Увімкнено". Амплітуда генерується напруги повинна складати 0,8 … 1,2 В. Якщо значення амплітуди істотно відрізняється від вказаного, слід підібрати опір резистора R9. Установка частоти коливань відбувається резистором R4 за допомогою цифрового частотоміра. Відхилення частоти від номінальної (3150 Гц) не повинно перевищувати ± 0,1%.

На закінчення необхідно помітити, що детонометр може забезпечити більш низьку похибку виміру коефіцієнта детонації. Однак для цього треба провести калібрування каналу виміру детонації, використовуючи генератор звукових частот з частотною модуляцією ГЗ-103. Можна також скористатися калібраторів та методикою його застосування, описаними в [2].

Проведення вимірювань. Вимірювання коефіцієнта детонації проводять як в процесі регулювання механізму протягування стрічки, так і в завершальній стадії випробування магнітофона. У всіх випадках необхідно виключити можливість пошкодження вимірювальної стрічки, магнітні головки повинні бути правильно встановлені у всіх площинах. Недотримання останньої вимоги збільшує різні види коливань магнітної стрічки. Вимірювання проводять для всіх номінальних швидкостей магнітофона на початку та в кінці котушки або касети. За коефіцієнт детонації приймається найбільша з отриманих значень.

Перед початком вимірювань необхідно відкалібрувати детонометр. Для цього треба включити вбудований генератор (перемикачем SA1) і обертанням ручки змінного резистора R35 встановити стрілку вимірювальної головки РА1 ("Дрейф") на нульове поділ шкали.

З усіх можливих варіантів вимірів можна рекомендувати два способи, нормованих чинним стандартом [1]. Перший, найбільш простий спосіб полягає у відтворенні на випробуваному магнітофоні вимірювальної сігналограмми з частотою 3150 Гц для перевірки детонації. Він отримав найбільше поширення, найменш трудомісткий і застосуємо для випробувань магнітофонів, коефіцієнт детонації яких по принаймні втричі більше власної детонації вимірювальної стрічки. Рівень детонації сучасних вимірювальних стрічок лежить в межах 0,05 … 0,1%, тому розглянутий спосіб придатний для випробування магнітофонів, що мають коефіцієнт детонації, що перевищує 0,15 … 0,2%.

Другий спосіб використовують при відсутності вимірювальної стрічки або при необхідності вимірювання коефіцієнта детонації, який менше або близький до рівня детонації наявної вимірювальної сігналограмми. Необхідність у застосуванні цього способу виникає, як правило, при випробуванні високоякісних магнітофонів 0-й і 1-ї груп складності.

Вимірювання виробляють, записуючи на випробуваний магнітофон синусоїдальний або прямокутний сигнал з частотою 3150 Гц і потім відтворюючи її на тому ж магнітофоні. При цьому сигнал піддається частотної модуляції як в режимі запису, так і в режимі відтворення. Внаслідок випадкового співвідношення фаз періодичних складових коливань швидкості стрічки в названих режимах результат додавання коливань може відрізнятися від істинного як у велику, так і в меншу сторону. Ступінь відхилення залежить також від частки періодичних і випадкових складових у спектрі коливань швидкості. Тож в аналізованому способі потрібно усереднення вимірювань.

Численними експериментами було встановлено, що найбільш достовірного результату відповідає середньоарифметичне значення п'ятикратних вимірювань коефіцієнта детонації в режимі відтворення одного і того ж фрагменту запису [1].

Використовувана для вимірювань магнітна стрічка не повинна мати виражених дефектів, наприклад у вигляді осипання робочого шару, перегинів або місць склеювань. Ці дефекти приводять до глибоких коливань середнього значення сигналу на виході одновібратора і до різкої зміни показань приладу. Особливу увагу слід звернути на якість стрічки при випробуванні апаратів вищих груп складності. Застосовуючи вимірювання коефіцієнта детонації в процесі запису і відтворення, рівень запису сигналу встановлюють близьким до номінального. Коефіцієнт нелінійних спотворень трактів запису і відтворення практично не вносить додаткової похибки в оцінку коефіцієнта детонації.

Основні джерела коливань швидкості стрічки можна виявити за допомогою зіставлення спектру детонації з частотами обертання механічних вузлів механізму протягування стрічки. Для цього необхідно спочатку розрахувати або експериментально виміряти періоди обертання деталей кінематичної схеми. Потім, подаючи сигнал з виходу детонометра на осцилограф з відкритим входом, за допомогою масштабної сітки необхідно визначити періоди найбільш інтенсивних складових у спектрі сигналу та ідентифікувати відповідні ним елементи механізму протягування стрічки. Більш ефективні способи спектрального аналізу інфразвукових сигналів викладені в [3]. Зіставлення періодів обертання елементів механізму протягування стрічки з періодами частотних складових електричного сигналу дозволяє визначити домінуючі джерела детонації.

Причиною самих високочастотних складових спектра детонації з періодом менше 0,1 с є, як правило, биття проміжних роликів та насадки провідного двигуна. Коливання з періодом 0,1 … 0,3 с обумовлені в більшості випадків провідним валом: з періодом 0,2 … 1,0 с – притискним роликом, а більше 0,5 с – приймально-передавальними вузлами. У разі необхідності зниження рівня детонації протягування стрічки механізму можна скористатися рекомендаціями, наведеними, наприклад, в [4].

М. Шиянов, С. Філіппов

Література

1. ГОСТ 24863-81 (СТ РЕВ 1359-78). Магнітофони побутові загальні технічні требованія.-М.: 1981.

2. Сухов М. Детонометр .- Радіо, 1982, № 1, с. 34, № 2, с. 38.

3. Сухов М. Як поліпшити параметри магнітофона .- Радіо, 1982, № 5, с. 34.

4. Травників Є. М. Механізми апаратури магнітного запису .- Київ, Техніка, 1976.

Радіоежегоднік, 1989, с.117-128.