Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки

(53)5 С О 1 И 2 /00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР(56) ТЬе Кечхеч оЙ Бсхепхйхс 1 пягц-вепз, 1963, ч. 3 ч, Лф 12, р, 1 ЙОО 1 ч 07,. (Приборы для научных исследований, 1963, М 12. с, 98-107),Авторское свидетельство СССРй 587389, кл. Г О Н 29/00, 1978,Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1987, т, 92, вып, 1,с, 208 -220,Измерительная техника, 1979, Л" 11,с69-70(5 Ц) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТУ ЛЛЛ УЛЬТРАЗВУКОВОЙУСТАНОВКИ Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико-химических свойств веществ,Известны установки для измерения скорости ультразвука с помощью перестраиваемого по частоте акустического моста, Устройство автоподстройки частоты таких установок представляет собой стробируемый интегратор, сервоусилитель, серводвигатель, и многооборотный потенциометр Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает ивЮци 1 ЛБМ А 1 2(57) Изобретение относится к ультра.- звуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизиро" ванных измерительных комплексах при изучении физических и физико"химичес" . ких свойств веществ, Цель изобретения - повышение быстродействия устройства, Изобретение обеспечивает воэ" можность повышения быстродействия, например, установок для измерения скорости ультразвука, основанных на стабилизации длины волны ультразвука, за счет малого изменения частоты зондирующего сигнала. Подстройка частоты осуществляется с помощью синхронного детектора, источника опорного напряжения, двух операционных усилителей, двух ключей и динамического запоминающего устройства, выход которого сое" динен с управляющим входом генератора зондирующего сигнала. 2 ил. на вход интегратора, преобразуется всигнал постоянного тока, с выхода интегратора поступает на вход сервоусилителя и одновременно подается наодин из входов задающего. генератора.Сервоусилитель управляет работой серводвигателя, кинематически соединенногос многооборотным потенциометром, накрайние точки которого подается напря"жение с источника постоянного напряже- афтиния. Напряжение со средней точки мно . ещегооборотного потенциометра подаетсяна второй вход генератора, а рабочаячастота определяется суммой напряженийна двух входах высокочастотного генератора, 1735760Недостатками данного устройства яв.ляются большое время перестройки частоты, обусловленное наличием электро"механической системы, и его большиеразмеры,Известно устройство, обладающееболее высоким быстродействием и состоящее иэ последовательно соединенныхФазового детектора и операционного 0усилителя, входящее в состав устройства для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, Сигнал разбаланса поступаетна вход Фазового детектора, выход которого соединен с входом операционного усилителя, а выходной сигнал операционного усилителя непосредственноподается на вход задающего генератора,Недостатком данного устройства является Ограниченная область его применения. При исследовании сильнопогло-щающих веществ, когда уровень сигнала мал, вследствие чего не удаетсяреализовать режим стоячей волны иприходится пользоваться импульснымиметодами, при использовании подобныхустройств появляется дополнительнаяпогрешность установки частоты, связанная с конечной величиной коэффициентаусиления операционного усилителя, таккак для установления некоторого отличного от нул я напряжения на выходеусилителя на входе его должен существовать отличный от нуля сигнал - вданном случае сигнал разбаланса акус" 35тического моста, При неполной балансировке моста по Фазе сигнал раэбаланса зависит от амплитуды высокочастот"гюго сигнала, что приводит к зависимости устанавливаемой частоты отзатухания ультразвука в образце, Последнее обстоятельство исключает ис пользование устройства при исследовании явлений, когда с изменением скорости одновременно меняется поглоще%ние ультразвука в образце,Наиболее близким к изобретению тех"ницеским решением является устройство,входящее в состав установки для изме"рения затухания и скорости ультразву" Мка. Устройство автоматической подстройки частоты этой установки состоитиз синхронного детектора, сервоусили-.теля, серводвигателя, источника постоянного напряжения и многооборотного 55,потенциометра. Вход синхронного детектОра является входом устройства автоматической подстройки частоты, Выход синхронного детектора соединен с входом сервоусилителя, Выход сервоусилителя соединен с входными клеммами серводвигателя, Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потен.циометром, Крайние точки многооборотного потенциометра соединены с выходными клеммами источника постоянногонапряжения, а средняя точка многооборотного потенциометра, являясь выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединена с входомвысокочастотного генератора, и напряжение на ней определяет рабочую цастоту.Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает на вход синхронного детектора, преобразуется вуровень напряжения постоянного тока ипоступает на вход .сервоусилителя, Сервоусилитель приводит в движение серводвигатель, который изменяет положение средней точки многооборотного потенциометра так, цтобы напряжение, поступающее на вход высокочастотного генератора, а значит, и рабочая частотаизменялись в сторону уменьшения сигнала разбаланса по фазе акустического моста.Недостатками прототипа являютсябольшое время подстройки частоты,обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры, что ограничивает область его применения,Цель изобретения - поеышение быстродействия устройства.Поставленная цель достигается тем, что устройство автоматической подстройки частоты, содержащее синхронный детектор и источник постоянного напряжения, дополнительно снабжено двумя операционными усилителями, двумя электронными ключами, двумя сопротивлениями и динамическим запоминающим блоком, при этом выход синхронно" го детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выходы еперационных усилителей соединены с управляющими входами электронных ключей,. сигнальный входодного ключа соеди-, нен с положительным. полюсом, сигналь" ный вход второго ключа - с отрицатель" ным полюсом источника постоянного напряжения, а выходы обоих ключей черезсопротивления соединены с входом динамического запоминающего блока,Сущность изобретения заключаетсяв замене инерционной и громоздкой электромеханической системы (сервоусили 5теля и серводвигателя) быстродействующими и миниатюрными электронными устройствами: операционными усилителями,электронными ключами, сопротивлениями и динамическим запоминающим блоком,что позволяет существенно увеличитьбыстродействие и уменьшить, габаритыустройства автоматической подстройкичастоты5Введение в устройство автоматичес-,кой подстройки частоты двух операци- .онных усилителей необходимо для уси"ления сигнала с выхода синхронного детектора до уровня, достаточного дляуправления электронными ключами, Соединение выхода синхронного детекторас инвертирующим входом одного и неинвертирующим входом другого операционных усилителей необходимо для того,чтобы в зависимости от знака напряжения -на выходе синхронного детектораоткрывался тот или иной электронныйключ, поскольку открывание происходитпри определенном знаке напряжения на30управляющем входе электронного ключа,Электронные ключи необходимы для изменения напряжения на входе динамического запоминающего устройства, Сопротивления необходимы для ограничениятока на входе динамического запоиинающего устройства и предотвращения автоколебательного процесса, Динамическое запоминающее устройство необходимодля фиксации напряжения, определяющегорабочую частоту высокочастотного генератора, когда напряжение на выходесинхронного детектора равно нулю,Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей, двух электронных ключей, двух сопротивлений и динамического запоминающего устройства достаточно для повышения быстродействияустройства,Операционные усилители, электронные ключи, динамические запоминающиеустройства и сопротивления применяются и в других электронных устройствах, Так, например в известных устройствах операционный усилитель испольэуется для усиления сигнала с выходафазового детектора, Однако для поддержания некоторого напряжения, определяющего рабочую частоту высокочастотного генератора, на входе операционного усилителя необходимо иметь напряжение, отличное от нуля. Поскольку баланс акустического моста соответствует нулевому напряжению на входе операционного усилителя, то очевидно, чтг в данном случае мост балансируется не точно. Предлагаемая схема использования двух операционных усилителей в сочетании с электронными ключами, сопротивлениями и динамическим запоминающим устройством позволяет добиваться установления рабочей частоты при нулевом сигнале на входах операционных усилителей, т,е, при точной балансировке акустического мостаПоскольку от точности балансировки акустического моста зависит точность из- мерения скорости ультразвука, точная балансировка моста весьма существенна, тем более, что при этом обеспечивается высокое быстродействие устройства, в то время как устройство-прототип обладает малым быстродействиемНа фиг, 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано,Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки (фиг, 1) состоит из синхронного детектора 1, операционных усилителей 2 и 3, источника ч постоянного напряжения, электронных ключей 5 и 6, резисторов 7 и 8 и. динамического эвпомиющего блока 9, состоящего из конденсатора 10 и истокового повторителя, выполненного нз транзисторе 11 и резисторе 12, Выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и неинвертирую-. щим входом операционного усилителя 3, Выход операционного усилителя 2 соединен с управляющим входом электронного ключа 5, а выход операционного усилителя 3 - с угралляющим входом электронного ключа 6, Сигнальные входы электронных ключей 5 и б соединены с разноименными полюсами источника постоянного напряжения. Линамический запоминающий блок 9 состоит иэ конденсатора 10, соединенного с затвором транзистора 11 и одним иэ выводов ре" эистора 12, Второй вывод резистора 12 соединен с истоком транзистора 11.Один из выводов конденсатора 10 и затвор транзистора 11 через резисторы и 8 соединены с выхода и электрон173576ных ключей 5 и б соответственно, Сигнальный вход электронного ключа б соединен с точкой соединения конденсатора 10 с резистором 12,Ультразвуковая установка (фиг, 2)состоит из высокочастотного генератора 13, ключевой схемы 1 ч, импульсногомодулятора 15 передающего 16 и приемного 17 пьезопреобразователей, иссле" Очуемого образца 18, перестраиваемого1аттенюатора 19, приемника 20, устройства 21 автоматической подстройки частоты и частотомера 22, Выходы 1 - 3высокочастотного генератора 13 соединены с входом 1 ключевой схемы 14,входом 2 приемника 20 и входом частотомера 22 соответственно, Выходы1 " ч импульсного модулятора 15 соединены с входами 2 и 3 ключевой схемы 2 О1 Й, входом 3 приемника 20 и входом 2устройства 21 автоматической подстройки частоты соответственно Выходы 1 и 2 ключевой схемы 1 ч соединеныс передающим пьеэопреобраэователем 16 2и входом аттенюатора 19 Пьеэопреобраэователи 16 и 17 монтируются на исследуемый образец 18, Вход 1 приемника 20 соединен с приемным пьеэопреобразователем 17 и выходом аттенюатора19, Выход приемника 20 соединен с входомустройства 21 автоматическойподстройки частоты, выход которогосоединен с входом высокочастотного генератора 13.Рассмотрим работу ультразвуковойустановки (фиг, 2) в режиме измеренияизменения скорости ультразвука в исследуемом образец от внешнего параметра, контролируемого в процессе эксперимента (например, температуры, магнитного поля и тд),Высокочастотный генератор 13 вырабатывает электрический сигнал, гармоническим образом зависящий от времени, Этот сигнал поступает на входчастотомера 22 для измерения частоты,на вход 2 приемника 21 в качествеопорного сигнала для фазового детектирования и на вход 1ключевой схемы 1 С помощью импульсного модулято-ра 15 на выходах 1 и 2 ключевой схемыФормируются радиоимпульсы, причем ра"диоимпульс на выходе 2 задержан вовремени относительно радиоимпульса навыходе 1 на величину, равную времени Ыраспространения ультразвукового сигнала в исследуемом образце 18, Сигналыс выходов ключевой схемы 1 М поступают 0 8на акустический мост, содержащий аттенюатор 19 в одном плече и образец 18 с пьезопреобразователями 16 и 17 в другом, Радиоимпульс с выхода 1 .ключевой схемы 1 ч поступает на пере- дающий пьезопреобразователь 16, преобразуется в механические колебания,которые распространяются в образце 18,достига ют приемного пьезопреобразователя 17, испытывают обратное преобразование в радиоимпульс электромагнитной природы и поступают на вход 1 приемника 20, куда одновременно поступаетсигнал с выхода аттенюатора 19, вносящегозатухание в сигнал с выхода 2 ключевой схемы,1 Й,равное сумме затухания ультразвука в обра зце 18 и потерям на электромеханическое преобразование в пьезопреобразователях 16 и 17, Приемник 20 содержит два канала - канал измеренияфазы и канал измерения амплитуды, Последний позволяет осуществить балансмоста по амплитуде и производить измерения изменений затухания ультраэву"ка в образце 18 от внешнего параметра,Канал измерения фазы содержит Фазовыйдетектор, который выделяет из сигнала, поступающего на вход 1 приемника20, с помощью опорного сигнала, поступающего на вход 2 приемника 20, составляющую, сдвинутую по Фазе на 90 относительно сигнала, поступающего с выхода аттенюатора 19, и тем самым формирует сигнал раэбаланса по фазе акустического моста. Этот сигнал детектируется амплитудным детектором, иэсерии эхоимпульсов с помощью строб- импульса, поступающего на вход 3 приемника 20, выбирается необходимый импульс и далее происходит его пиковоедетектирование, После этого сигналпоступает на вход 1 устройства 21автоматической подстройки частоты,на вход 2 которого поступает опорныйсигнал для низкочастотного синхронного детектирования, Устройство 21 автоматической подстройки частоты при нулевом сигнале раэбаланса по фазе акустического моста изменяет напряжениена выходе, которое определяет рабочуючастоту высокочастотного генератора 13, в сторону уменьшения сигнала раз"баланса, В момент, когда сигнал разбаланса по фазе акустического моста становится равным нулю, напряжение на выходе устройства 21 автоматической подстройки частоты перерастает изменяться, частота Г высокочастотного1735760 у/я = (Г,-г )/г формул а генератора 13 фиксируется и измеряетсячастотомером 22, При изменении внешне.го параметра может произойти изменение скорости ультразвука Я на вели"чину Б. Это приведет к тому, чтоакустический мост будет балансироваться по фазе на частоте Г,. также измеряемой частотомером 22,. Относительноеизменение скорости ультразвука отвнешнего параметра может быть определено с помощью следующего выражения: Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки работает следующим образом,В исходном состоянии, соответствующем балансу по фазе акустическогомоста и, следовательно, нулевому напряжению на выходе синхронного детек. тора 1, электронные ключи 5 и 6 находятся в разомкнутом состоянии, Конденсатор 1 О заряжен до некоторого уровнянапряжения, и с выхода динамического запоминающего блока 9 на вход высокочастотного генератора 13 поступает. напряжение ц , определяющее рабочуючастоту Г , При изменении скоростиультразвука от внешнего параметра возникает разбаланс по фазе акустическогомоста, в результате чего на выходесинхронного детектора 1 появляетсясигнал в виде уровня напряжения постоянного тока и поступает на входы операционных усилителей 2 и 3, доводящихсигнал до уровня, необходимого дляуправления электронными ключами 5 и6, В зависимости от знака напряженияна выходе синхронного детектора 1 открывается электронный ключ 5 или 6. 8результате вход динамического запоминающего блока 9 через резистор 7 или8 оказывается подключенным к положительному либо отрицательному полюсуисточника Ц постоянного напряжения,Это приводит к заряду или разряду конденсатора 10, изменению напряжения навыходе динамического запоминающегоблока 9 и, следовательно, рабочей цастоты высокочастотного генератора 13.При некотором значении частоты и соответствующем ей значении напряжения навыходе динамического запоминающегоблока 9 и возникает баланс по фазеакустического моста, вследствие чегонапряжение на выходе синхронного детектора 1 становится равным нулю, от-,крытый до этого момента времени ключ5 или 6 закрывается, и на выходе ди"намицеского запоминающего блока 9фиксируется напряжение 01,По сравнению с прототипом предложенное устройство автоматической подстройки частоты позволяет при той жеточности установления частоты увелицить быстродействие ультразвуковой установки в 20 раз, существенно уменьшить ее габариты, расход электроэнергии и повысить производительностьтруда при проведении физических экспериментов,. изобрет ени яУстройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой уста-новки, содержащее синхронный детектор З 0 и источник постоянного напряженияо т л и ч а л щ е е с я тем,. что, сцелью повышения быстродействия устройства, оно снабжено двумя слерационнымиусилителями, двумя электронными ключаЗ ми, двумя резисторами и динамическимзапоминающим блоком, выход синхронногодетектора соединен с инвертирующим1входом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго 40 операционного усилителя, выходы операционных усилителей соединены с управляющими входами соответственнопервого и второго электронных ключей,сигнальные входы которых соединены 4 соответственно с положительным и от"рицательным полюсами источника постоянного напряжения, а выходы обоихэлектронных ключей ерез первый и второй резисторы соединены с входом ди намицеского запоминающего блокаеаВ Тираж Подоисиоерственного комитета ао изобретениям и открытиан при ГКНТ СССР 113035, Иосква, %-35, Рауаская наб д, 4/5 вецкав е оставите ехред И,В. ГудковЫК Корректор М. 6 амборска