Реферат: Блок возбуждения для ВТП

Техническоезадание к курсовому проекту.

Разработать:

Блок возбуждения для дефектоскопии плоской поверхности ферромагнитных объектов.

Устройство включает в себя :

1. Генератордискретной (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 до20;

коэффициентгармоник не более 1 % :

2. Нагрузкойдля генератора служит катушка размещенная на объекте контроля:

числовитков возбуждающей катушки: 20;

число витков измерительной катушки: задается оператором от 10 до 20;

диаметрвозбуждающей катушки: от 4 до 20 мм;

диаметр измерительной катушки: задается оператором от 4 до 20 мм;

длина катушек: от 2 до 15мм:

Свойстваобъектов контроля:

m=1-10;

s=5-10 MCм/м;

Площадьконтролируемого 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 анализевзаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полемвихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. В качестве преобразователяиспользуют обычно индуктивные катушки. Синусоидальный ток, действующий вкатушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи вэлектропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует наизмерительную катушку преобразователя, наводя в ней ЭДС или изменяя ее полноеэлектрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки,получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительнонего. 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 свойственна малаяглубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитногополя в контролируемую среду. Сильное влияние на полученные результаты оказываютнелинейные искажения 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.

Ниже приводятся типы уже существующихпреобразователей:

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

ОК

· БВ — блок возбуждения; (нужно разработать в этомсеместре)

· ВТП — вихретоковый преобразователь;

· БО — блок обработки;

· АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

· ОК- объект контроля;

3. Блок возбуждения (БВ).

Блокомвозбуждения в данном устройстве является широкополосный генератор напряжения синусоидальной формы. БВсостоит из синтезатора частот (СЧ) и

формирователясигнала (ФС) заданной формы. Рассмотрим их структурные и электрические схемыболее подробно.

Блок возбуждения

СЧ

ФС

ФНЧ

ВТП

3.1. Структурная схема СЧ.

: М

ОГ

ГУН

ФЧД

fc — частота сигнала подающегосяна вход формирователя сигнала

3.1.1. Опорный генератор(ОГ).

Вкачестве ОГ выбираем генератор с кварцевым резонатором на 16 МГц микросхема РК374.

3.1.2. Счетчики-делители частоты M и N.

Ucc

Rинв

PEинв

ECT

ECR

CT2

D00

D01

D02

D03

Общий

<img src="/cache/referats/11361/image028.gif" v:shapes="_x0000_s1091 _x0000_s1092 _x0000_s1093 _x0000_s1094 _x0000_s1095 _x0000_s1096 _x0000_s1097 _x0000_s1098 _x0000_s1099 _x0000_s1100 _x0000_s1101 _x0000_s1102 _x0000_s1103 _x0000_s1104 _x0000_s1105 _x0000_s1106 _x0000_s1107 _x0000_s1108 _x0000_s1109 _x0000_s1110 _x0000_s1111 _x0000_s1112 _x0000_s1113 _x0000_s1114 _x0000_s1115 _x0000_s1116 _x0000_s1117 _x0000_s1118 _x0000_s1119 _x0000_s1120">Счетчик М служит для задания шагаизменения частоты. Счетчик N необходим для обеспечениясетки частот изменяющихся с заданным шагом fог/M. Предполагается что счетчики управляются цифровымкодом с ЭВМ. Выбираем счетчики серии КР1554ИЕ10 (аналог -74ALS161AN фирмы National ,USA). Микросхема КР1554ИЕ10 — это четырехразрядный двоичный синхронныйсчетчик. Счетчик запускается положительным перепадом (фронтом) тактовогоимпульса на входе С. Сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояниеосуществляется по общему входу R(инв.). Режим параллельнойзагрузки информации устанавливается подачей напряжения низкого уровня на входразрешения параллельной загрузки PE(инв.), при этомпредварительно установленная на входах D0...D3информация пофронту импульса на входе С записывается в триггеры счетчика. Для синхронногокаскадирования микросхема КР1554ИЕ10 имеет вход разрешения счет ЕСТ, входразрешения переноса ЕСR и выход переноса CR.Счетчик считает тактовые импульсы, если на входах ECTи ECR поданонапряжение высокого уровня. Вход ECR последующего счетчикасоединяется со входом CR предыдущего счетчика.

Условно-графическоеобозначение

КР1554ИЕ10

Таблицаназначения 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 что цифровыевходы данных D0...D3, а также входы R(инв.), ECT, ECR и PE(инв.) будут управляться с ЭВМ, соответствующим программным и аппаратнымобеспечением .

3.1.3. Фазово-частотныйдетектор (ФЧД).

Еслина схему ФЧД приходят равные частоты fог/M и fвых/N то из условия равенства этих частот получаем <img src="/cache/referats/11361/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1027">. В качестве ФЧД выбираем ИМСисключающее « или » серии К155ЛП5 (Аналог 74ALS86).

3.1.4. Генератор управляемыйнапряжением (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 генераторпредставляет собой автомультивибратор, имеющий вход управления частотой (УЧ)выводы 1 и 2 и диапазоном частоты (Д) выводы 14 и 3. К выводам 12 и 13подсоединим кварцевый резонатор КР374 на 16МГц. 16,15 — Uп;9,8-общий вывод. Для обеспечения заданного диапазона частоты ко входам 4-5присоединяем конденсатор емкостью с=2 пФ (КД‑1‑2пФх100В).

3.1.5. Интегратор.

Дляуправления работой ГУН служит интегратор на операционном усилителе

ПараметрыR 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 ;

T=1/f=1/1КÃö=1мс;

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

Такимобразом 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=15МГц

Выходное напряжение интегратора будем рассчитыватьпо формуле:

<img src="/cache/referats/11361/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (1)

, где <img src="/cache/referats/11361/image037.jpg" v:shapes="_x0000_i1031"> (2)

Посчитаем погрешность интегрирования, связанную сдополнительным 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

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

3.2. Формирователь сигнала(ФС).

Формирователемсигнала заданной формы является восьмиразрядный сдвиговый регистр споследовательной загрузкой и параллельной выгрузкой КР1533ИР8 (Аналог 74ALS164).Микросхема КР1533ИР8 представляет собой восьмиразрядный сдвиговый регистр споследовательной загрузкой и параллельной выгрузкой. Наличие двух входов последовательнойзагрузки A и B позволяет использовать одиниз них в качестве управляющего загрузкой данных: низкий уровень напряжения хотябы одном из них по положительному фронту тактового импульса устанавливаетпервый триггер регистра в состояние низкого уровня напряжения, в тоже время [RU1] высокий уровень напряженияна управляющем входе позволяет по другому входу осуществлять ввод данных впоследовательном коде. Частота следования импульсов по входу С — не более 50 МГц, т.е. вполне пригодно т.к. максимальная частотадискретного синусоидального сигнала будет на выходе fвых = 50/16 » 3МГц, что соответствуеттехническому заданию.

Таблицаназначения выводов

CLК

CLR

Vcc

GND

вход информационный

вход тактовый

вход сброса

выход

напряжение питания

общий вывод

КР1533ИР8формирует дискретный периодический сигнал аппроксимированный функцией <img src="/cache/referats/11361/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> , где

<img src="/cache/referats/11361/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> - период;

16-16дискретов на периоде ;

n — номер текущего дискрета ;

При однополярном питании данный сигнал сдвинутотносительно нулевой точки на постоянную составляющую Eп/2.

3.2.1.Расчет номиналов резисторов.

Данная схема может обеспечить Rвых=5КОм;

Запишем систему уравнений для нахождения номиналоврезисторов: (3)

После расчета и округления до ближайших номинальныхзначений 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%);

3.2.2Анализ сигнала на выходе ФС.

Полезный сигнал на выходе регистра аппроксимируется ступенчато,что соответственно вносит свои погрешности и искажения. Возьмем сигнал дляпримера <img src="/cache/referats/11361/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> с частотой f=1000 Гц и числом дискретов N=16;

Рассмотрим погрешность на половине периода <img src="/cache/referats/11361/image069.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

Для аппроксимации данного сигнала рассмотрим функцию:

<img src="/cache/referats/11361/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> , где floor(x) — функция, возвращающая ближайшее целое число меньшее или равноеаргументу (х вещественный).

Относительную погрешность пронормируем по истинному значениюсигнала

<img src="/cache/referats/11361/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> (4)

Изобразим впроцентном отношении

Рассмотрим спектр сигнала на выходе ФС. Для этого применимразложение в ряд Фурье для периодическогосигнала dcos(t). Найдем коэффициенты для разложения в ряд по косинусам:

<img src="/cache/referats/11361/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> bk=0 (5)

Так как значение напряжения на выходе ФС между отсчетами времени

постоянно, то заменим интеграл на сумму :

<img src="/cache/referats/11361/image083.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> <img src="/cache/referats/11361/image085.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> <img src="/cache/referats/11361/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> <img src="/cache/referats/11361/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> (6)

<img src="/cache/referats/11361/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> (7)

<img src="/cache/referats/11361/image093.gif" v:shapes="_x0000_i1059"> (8)

Где k — номер гармоники в сигнале

Определим коэффициент гармоник в процентах :

<img src="/cache/referats/11361/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> <img src="/cache/referats/11361/image097.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> (9)

Спектр сигнала на выходе ФС выглядитследующим образом:<img src="/cache/referats/11361/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1062">

Таким образом видно, что коэффициент гармоник достаточно велик инужно применить ФНЧ, отсекающий высшие гармоники спектра сигнала.

3.2.3. Перестраиваемый фильтр управляемый цифровым кодом.

Электрическая схема ФНЧ:

Коэффициент передачи К(f) такой схемы равен:

<img src="/cache/referats/11361/image103.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> (11)

R1=1КОм ; R2=R1 ; C=5 нФ.

ЛАЧХ фильтра

Рассчитаем подавление гармоник спектра сигнала в децибелах Kпод :

<img src="/cache/referats/11361/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> где к -номер гармоники ;

Найдем коэффициент гармоник после ФНЧ, амплитуды гармоник станутсоответственно:

<img src="/cache/referats/11361/image111.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> (12)

<img src="/cache/referats/11361/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> <img src="/cache/referats/11361/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1070">% (13)

что соответствует техническому задания (Кгарм < 1 %)

Нонам нужен перестраиваемый фильтр следовательно вместо резисторов будемиспользовать токовый ЦАП 572ПА1.

1 — аналоговый выход 1

2 — аналоговый выход 2

572ПА1

15 14

<img src="/cache/referats/11361/image115.gif" v:shapes="_x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085 _x0000_s1086 _x0000_s1087">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

Дляреализации динамических свойств ЦАП на выходе нужно использовать быстродействующийОУ с коэффициентом усиления по напряжению не менее 104.

В качестве ОУ выбираем быстродействующийК544УД2

fmax, ÌÃö

Uâûõ, Â

Uïèò, Â

Iïîò, ìÀ

20000

±15

Схема фильтра управляемогоцифровым кодом:

R=10 КОм ; n=10 (разрядность ЦАП).

<img src="/cache/referats/11361/image118.gif" v:shapes="_x0000_i1072"> Rmin=10 КОм (14)

<img src="/cache/referats/11361/image120.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> Rmax=10 МОм (15)

Так как время установления выходного напряжения после подачи кодана

вход ЦАП tуст равно 5 мкс, соответственночастота дискретизации fдискр должна быть не более 200 кГц, а с учетом того что по теореме Котельникова синусоиду можно восстановить лишь приналичии двух дискретов на период, то максимальная частота не можетбыть выше 100 кГц. То есть С равно:

<img src="/cache/referats/11361/image122.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> ; С=1нФ (К50‑6‑1нФх6.3В);

Данныйфильтр управляется цифровым двоичным кодом N (этот код соответствует коду изсинтезатора частот) следовательно изменяя код N будет изменяться

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

4. Вывод.

Т.о. блок возбуждения для вихретоковогопреобразователя обеспечивает подачу на накладной вихретоковый датчик синусоидальногосигнала амплитудой 10 мА во всем диапазоне частот 1КГц-2.5 МГц, коэффициентгармоник сигнала при этом около 0.6%, что соответствует техническому задания.

5. Списокиспользуемой литературы.

1) Справочник «Цифровые и аналоговыеинтегральные 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 неразрушающегоконтроля материалов и изделий» том 2, Москва, «Машиностроение»1986 г.

3) В.Н. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника»,Москва, «Высшая школа» 1991г.

PAGE# "'Стр: '#'
'" <a href="#_msoanchor_1" ">[RU1]

еще рефераты

Еще работы по компьютерам и переферийным устройствам

Реферат по компьютерам и переферийным устройствам

Вычислительная техника в управлении на примере управления международных связей ВГУЭС