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

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