Разработка демонстрационной установки для исследования звуковых волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Схема установки

Звуковые колебания будут особенно сильными, если труба настроена на резонанс. Резонанс наступает в тех случаях, когда на длине трубы укладывается целое число полуволн звуковой длины, то есть, возникает стоячая волна. Подбор резонансных условий производится путем изменения частоты звуковых колебаний или изменением длины трубы при неизменной частоте.

Возникновение резонанса легко наблюдать на осциллографе по резкому увеличению амплитуды колебаний.

Рассмотрим метод измерения скорости звука при постоянной длине трубы L.Будем увеличивать частоту звуковых колебаний так, чтобы наблюдался ряд последовательных резонансов для различных длин волн. Условия резонанса при этом определяются соотношениями

(20)

где - длина звуковой волны, n - некоторое целое число.

Учитывая, что =l_mn _m ( m= n, n+1, …,n+k)--,--выражения (18) запишутся

(21)

Из равенств (19) можно определить резонансные частоты:

(22)

Вычитая первое равенство из последующих, исключим неизвестное число n и тем самым найдем скорость звука в газе.

(23)

Вывод: В этой лабораторной работе происходит измерения мольных теплоемкостей С_p/C_v по скорости звука в газе, но не смотря на её работоспособность, данную установку нельзя использовать где угодно из за больших размеров установки.

Основы работы дальномера

Дальномеры по своим характеристикам и методам подразделяются на импульсный, частотный и фазный, но мы рассмотрим дальномер импульсного типа

2) Импульсный.

Рисунок 5 - Функциональная схема импульсного дальномера

Функциональная схема импульсного радиолокационного дальномера приведена на рисунке 5, а временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, ? на рисунке 6. Синхронизатор вырабатывает последовательность импульсов (1) для синхронизации передатчика и оконечного устройства. Передатчик формирует импульсные высокочастотные колебания. Эти высокочастотные колебания могут быть модулированы по частоте или манипулированы по фазе в пределах каждого импульса по некоторому закону. Будем полагать, что передатчик генерирует с поступлением на его вход управления синхроимпульсов высокочастотные радиоимпульсы без внутриимпульсной модуляции или манипуляции с прямоугольной огибающей ? (2). ВЧ импульсы через антенный переключатель (АП) поступают в антенну и излучаются в зону облучения РЛС. Если в зоне облучения имеется цель, то она переизлучает (отражает) зондирующие сигналы. Переизлученные сигналы принимаются антенной и через АП подаются на вход приемника. [7]

Рисунок 6 -Временная диаграмма поясняющая принцип работы

С выхода приемника сигналы от цели (видео импульсы ? 3) подаются в оконечное устройство, где производится измерение времени запаздывания принятых импульсов относительно излученных зондирующих импульсов. АП запирает вход приемника на время излучения зондирующих импульсов и блокирует выход передатчика во время приема отраженных сигналов. Возможно одновременное измерение дальности нескольких объектов, если принятые от них сигналы не перекрываются. Если R1 и R2 - дальности до двух точечных целей, то сигналы от этих целей не перекрываются при условии

( 24)

где фи.пр- длительность принятого сигнала.

Отсюда минимальная разность расстояний между двумя объектами, при которой отраженные от этих объектов сигналы регистрируются раздельно (разрешающая способность по дальности),

. (25)

Период следования зондирующих импульсов выбирается из условия обеспечения однозначного измерения дальности: максимальное время запаздывания фmax не должно превышать период следования ТП, т.е.

(26)

Рисунок 7 - Импульсный измеритель дальности преобразующий запаздывание в число

где Rmax - максимальная дальность действия дальномера. Если это условие не выполняется, то при возникает ошибка измерения, кратная .В качестве оконечного устройства импульсного дальномера (измерителя времени запаздывания) применяются визуальные индикаторы на ЭЛТ, либо автоматические измерители, которые одновременно преобразуют величину t в цифровой код. В частности, в РЛС кругового обзора для формирования изображения на индикаторе кругового обзора (ИКО) используется импульсный метод измерения дальности. Функциональная схема преобразователя временного интервала (времени запаздывания) ф в число приведена на рис. 6. Каждый импульс синхронизации, определяющий начало измеряемого временного интервала ф, переводит триггер Т в состояние, при котором схема И открыта. С этого момента на вход счетчика дальности начинают поступать счетные импульсы (4), вырабатываемые генератором счетных импульсов. Число счетных импульсов nR , поступивших на счетчик к моменту прихода отраженного целью сигнала, определяется равенством

, (27)

где R ? дальность до цели, а Fсч ? частота следования счетных импульсов.

Число nR отображающее в двоичном коде дальность R считывается со счетчика дальности с приходом сигнала от цели в момент принятия решающим устройством решения "сигнал есть" с помощью схемы съема. Возврат триггера управления в исходное состояние, при котором схема И заперта, производиться импульсом сброса (5), поступающим из синхронизатора. Схема позволяет одновременно измерять дальность многих целей. [9]

Недостатками импульсного метода измерения дальности являются невозможность измерения малых дальностей, так как во время излучения зондирующего сигнала приемник заперт, а также ограниченные возможности измерения радиальной составляющей скорости цели.

2)Частотный

При частотном методе измерения дальности излучается непрерывный сигнал, частота которого изменяется по пилообразному закону. Если цель неподвижна (R=const) , то частота принимаемого сигнала изменяется по тому же закону, но с запаздыванием на t=2R/c.

Рисунок 8 - Функциональная схема частотного дальномера

Функциональная схема частотного дальномера приведена на рис. 8, а временные диаграммы, поясняющие законы изменения частоты излучаемых и принимаемых сигналов и частоты биений ? на рис. 9. Разность частот принимаемого и излучаемого сигналов Fб (частота биений) на линейных участках изменения частоты излучения и частоты принимаемого сигнала определяется равенством

,

где ? скорость изменения частоты излучаемого сигнала.

Если ?fМ ? девиация частоты передатчика,

? период

модуляции излучаемых колебаний, то

(28)

Следовательно,

(29)

Отсюда следует, что дальность может быть определена по измеренной частоте биений по формуле

(30)

Биения формируются в смесителе, на входы которого подаются принимаемый и ослабленный аттенюатором излучаемый сигналы. После усиления напряжение биений подается на вход частотомера (частотного анализатора), шкала которого градуируется в единицах дальности. Если цель неподвижна, то разность частот на линейных участках изменения частот излучаемого и принимаемого сигналов будет постоянной и одинаковой для обоих полупериодов модуляции.



Рисунок 9 - Временные диаграммы, поясняющий законы изменения частоты биения для неподвижных (а) и подвижных (б) целей

Однако, вследствие периодичности излучаемых и принимаемых колебаний, сигнал биений, выделяемый на выходе смесителя, также является периодическим с периодом повторения . Следовательно, спектр биений является линейчатым со спектральными линиями, расположенными на шкале частот в точках f =2kFM, (k=1, 2, 3, …), т.е. через интервалы, равные удвоенной частоте модуляции 2FM. Если в качестве выходного устройства дальномера используется измеритель частоты, то он определяет целое число периодов k частоты биений Fб за время T, равное

(31)

Наименьшее число периодов разностной частоты (частоты биений Fб) k = 1. Отсюда минимальное значение Fбmin= 2FM, а минимальная дальность, которую можно измерить с помощью частотного дальномера, . Величина Rmin характеризует и ошибку определения дальности, связанную с дискретностью измеряемых значений частоты биений. Действительно, основная энергия сигнала разностной частоты сосредоточится в той спектральной составляющей биений, частота которой наиболее близка к разностной частоте. Разность D между фиксируемой анализатором частотой Fб и действительной разностной частотой вызывает ошибку измерения дальности. Значение D является случайной величиной, распределенной равномерно в интервале (? FM, FM). Эта ошибка обусловлена принципом действия частотного дальномера и является методической. Максимальному значению этой разности соответствует ошибка измерения дальности . Увеличением девиации частоты ?fM она может быть сведена к необходимому минимуму. Минимальная разность частот биений двух целей, при которой эти частоты могут быть раздельно зафиксированы анализатором равна 2FM. Этой разности соответствует разность расстояний

(32)

характеризующая разрешающую способность дальномера по дальности. Таким образом, точность и разрешающая способность частотного дальномера определяется девиацией частоты ?fM, т.е. шириной спектра излучаемого сигнала. [9]

При движении цели со скоростью V из-за эффекта Доплера возникает дополнительное смещение частоты принимаемых колебаний относительно частоты излучаемых колебаний. При условии , которое всегда выполняется, это смещение можно считать постоянным за период модуляции. Если Fб ? частота биений для неподвижной цели, то в случае движения цели, находящейся на той же дальности, доплеровское смещение приводит к тому, что в течение одного полупериода , а в течение второго полупериода. Отсюда , а . Приведенные соотношения справедливы только при симметричном пилообразном законе модуляции. Путем измерения Fб1 и Fб2 можно определить Fб и FД, т.е. дальность до цели и ее радиальную скорость. При измерении дальности одного объекта частота излучаемого сигнала может изменяться по синусоидальному закону, что значительно упрощает аппаратуру. Основными достоинствами частотного метода измерения дальности являются высокая точность измерения и разрешающая способности по дальности, а также возможность измерения очень малых дальностей при малой пиковой мощности излучаемого сигнала по сравнению с мощностью, необходимой при импульсном методе. К недостаткам частотного метода измерения дальности следует отнести сложность аппаратуры для измерения дальности многих объектов, трудность развязки приемного и передающего трактов, а также высокие требования к линейности изменения частоты излучаемых колебаний при измерении дальности многих объектов. [10]

Отмеченные достоинства и недостатки частотного метода измерения дальности предопределили его использование в радиовысотомерах малых высот. При этом измеряется дальность до единственного объекта (поверхности суши или воды) и вместо частотного анализатора используется простой счетчик числа выбросов напряжения биений в единицу времени.

3)Фазовый

В фазовом методе измерения дальности используются непрерывные колебания, промодулированные по амплитуде сигналом относительно низкой частоты щМ, получившим название колебания масштабной частоты. Измерение времени запаздывания t может производиться путем измерения разности фаз модулирующих колебаний масштабной частоты, которые выделяются из излученного и принимаемого сигналов.

Рисунок 10 - Функциональная схема фазового дальномера

Разность фаз между модулирующими колебаниями масштабной частоты связана с временем запаздывания t равенством

(33)

Отсюда

(34)

где , а лМ ? длина волны, соответствующая колебаниям масштабной частоты. Разность фаз может быть измерена однозначно в интервале (0, 2р). Поэтому максимальная дальность, в пределах которой она может быть измерена однозначно, определяется соотношением

(35)

Следовательно, для однозначного измерения дальности фазовым методом в интервале (0, Rmax) масштабная частота должна удовлетворять условию

т. е. (36)

где щМ и fМ ? соответственно грубые круговая и циклическая масштабные частоты. Ошибка dj измерения разности фаз и соответствующая ей ошибка измерения дальности dR связаны соотношением

или, (37)

которое называется условием обеспечения необходимой точности измерения. Условия (33) и (34) противоречивы: если , то, используя одну масштабную частоту, нельзя одновременно обеспечить необходимую точность и однозначность определения дальности. В этом случае применяются многошкальные измерители. В многошкальном фазовом дальномере вместо одной используются несколько масштабных частот щМ1, щМ2, ..., щМN. Колебания этих частот могут излучаться одновременно или последовательно во времени. Наименьшая из масштабных частот определяет наиболее грубую шкалу дальности и выбирается из условия однозначности измерений (33). Следующая, более высокая масштабная частота определяет вторую, более точную шкалу дальности. Эта частота выбирается так, чтобы интервал однозначного измерения по второй шкале превышал удвоенное значение максимальной ошибки измерений по первой шкале. Только при этом условии, которое называется условием согласования смежных шкал, можно избежать грубых ошибок измерения, кратных интервалу однозначности по более точной шкале. Если ошибка измерения дальности по второй шкале превышает допустимое значение dRmax, то измерения выполняются на третьей, еще более точной шкале. Третья масштабная частота также должна удовлетворять условию согласования смежных шкал, т. е. интервал однозначных измерений на этой масштабной частоте должен превышать удвоенное значение максимальной ошибки измерений на второй шкале. Если ошибка измерения дR по третьей шкале также оказывается недопустимо большой, то используется четвертая частота и т. д. Пользуясь совокупностью отсчетов дальности по всем шкалам многошкального дальномера, можно измерить дальность с ошибкой, определяемой наиболее точной шкалой, и с интервалом одно значности, который определяется наиболее грубой первой шкалой. Основное достоинство фазового метода состоит в том, что выбором масштабной частоты щМ
может быть обеспечена очень высокая точность измерений. Вместе с тем этот метод имеет ряд существенных недостатков: невозможность одновременного измерения дальности нескольких объектов, находящихся в зоне облучения дальномера; необходимость подавления излучаемого сигнала, который поступает на вход приемника; сложность технической реализации, которая обусловлена необходимостью использования нескольких шкал. [11]

В связи с отмеченными недостатками фазовые дальномеры применяются при измерении дальности объектов, оборудованных ретрансляторами. В этом случае несущие частоты ответных сигналов различных объектов, а также сигнала передатчика разнесены, и ответный сигнал любого объекта может выделяться на фоне сигналов других объектов и сигнала передатчика методами частотной селекции. Если дальность измеряется по отраженному сигналу, то частотная селекция ответного сигнала возможна и по доплеровскому смещению частоты этого сигнала. [12]

3. Разработка установки для экспериментальных исследований

При разработке демонстрационной установки для исследования звуковых волн необходимо выполнить следующие условия:

- детектируемое расстояние от 0.5м до 2м;

- минимальная погрешность измерения дистанции;

- питающее напряжение от 10В до 15В;

- невосприимчивость к перепадам питающего напряжения;

В основе разрабатываемого прибора лежат принципы импульсной радиолокации. Расстояние будет высчитываться по времени запаздывания излученного импульса.

Наиболее предпочтительный вид излучения для выполнения поставленной задачи - излучение УЗ диапазона. Скорость распространения УЗ излучения в воздухе ?330 м/с, данное свойство определяет преимущество УЗ излучения при детектировании малых расстояний. Важная особенность УЗ излучения -- возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты.

Принципы заложенные в основу функционирования УЗД заимствованы из радиолокационной техники. Однако, использование радиоизлучения в данной задаче неэффективно, т.к. данный вид излучения распространяется со скоростью света, что затрудняет детектирование малых расстояний. Также в связи с этим обстоятельством невозможно использовать электромагнитное излучение светового диапазона. Для излучения данного диапазона важна достаточная оптическая проницаемость среды, что не всегда достижимо.

В качестве передатчика и приемника УЗ излучения необходимо использовать сенсоры на основе пьезоэлектрической керамики, т.к. данные сенсоры обеспечивают высокое звуковое давление, высокую чувствительность при минимальных габаритах. Условие высокого звукового давление и чувствительности весьма важно, вследствие значительного затухания УЗ волн при распространении в воздухе, а также при отражении от препятствий. Данные источники УЗ имеют широкий диапазон рабочих температур и практически невосприимчивы к механическим ударным нагрузкам, что немаловажно, т.к предполагается их эксплуатация в сложных условиях перепадов температур и постоянной вибрации.

Максимальная детектируемая дистанция до препятствия обусловлена затуханием УЗ волн в воздухе, УЗ волна проходит путь до препятствия и обратно, т.е. вдвое больше, чем детектируемое расстояние. Погрешность измерения дистанции равна 2м/10=0.2м, что также накладывает ограничение на минимальное детектируемое расстояние.

3.1 Функциональная схема устройства

Устройство состоит из 3 основных частей - передающей, приемной и счетной.

Задача передающей части - формирование пачки импульсов с частотой 40 кГц и повторение пачек импульсов с возможностью изменения tи и tп - время импульса и время паузы соответственно. tп задает минимальный и максимальный пределы для измеряемого расстояния и регулируется в пределах мс -6 мс, что соответствует расстояниям:

(38)

(39)

Количество зондирующих импульсов в пачке также варьируется, но остается всегда целым числом. Т.е. длина пачки импульсов tи изменяется с дискретом D, равным периоду одного импульса 40 кГц:

(40)

(41)

Помимо точных регулировок основных параметров, особенностью схемы является устойчивость частоты её выходного сигналя при изменении питающего напряжения, сигнал меняется лишь по амплитуде.

Ниже приведена функциональная схема передающей части устройства.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 - Функциональная схема передающей части устройства

Приемная часть служит для приема отраженного сигнала, его усиления, детектирования и индикации расстояния. Состоит из приемника УЗ излучения, усилителя, детектора и блока индикации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Функциональная схема приемной части устройства

Счетно-индикаторная часть служит для измерения времени задержки звукового сигнала.

Рисунок 13 - Функциональная схема счетно-индикаторного устройства

3.2 Передающая часть установки

Рисунок 14 - Передающая часть установки

Тактовый генератор передающей части установки построен на прецизионном таймере 1006ВИ1 (NE555). Такое решение обеспечивает стабильность частоты. Изменяя номинал R2 возможна подстройка частоты. Но скважность импульса отлична от двух.

Для обеспечения скважности Q=2 применяется делитель частоты на двухтактном D-триггере. На вход С триггера DD2.1 подается тактовый импульс от генератора по которому изменяется логический уровень на выходах триггера. По тактовому импульсу триггер DD2.1 передает на выход Q информацию со входа D. Т.к. переключение триггера происходит по фронту импульса генератора на выходе обеспечивается сигнал со скважностью Q=2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 15 - Временная диаграмма работы триггера DD2.1

На триггере DD2.2 собран формирователь длительности tи и tп. Посредством R3 и R4 устанавливается время заряда и разряда С2. Эти параметры и определяют tи и tп.

Элементы DD3.3 и DD3.4 представляют собой формирователь парафазного выходного сигнала. Разрешающий передачу пачки импульсов сигнал формируется на выходе Q триггера DD2.2. Этот сигнал подается и в приемную часть УЗД в качестве синхронизирующего.

3.3 Элементная база передающей части устройства

Устройство разрабатывается с использованием интегральных микросхем, что уменьшает его размер, упрощает монтаж, микросхемы имеют большой ресурс работы. Все использованные микросхемы выпускаются белорусским НПО «Интеграл».

Ультразвуковые датчики

В качестве ультразвуковых элементов используется комплект T/R40-16 японской фирмы Nippon ceramic.

T40-16 и R4016 представляют собой согласованную пару сенсоров диаметром 16мм - соответственно УЗ передатчик и УЗ приемник работающие на центральной частоте 40 кГц .

Характеристики:

- высокий уровень звукового давления;

- высокая чувствительность;

Сферы применения:

- автомобильные системы обнаружения препятствий;

- дальномеры;

- охранные сигнализации.

Таблица 2 - Эксплуатационные параметры T\R40-16

Параметр	Символ	Значение	Единица измерения
Максимальное входное напряжение	Vmax	20	В
Максимальная ударная нагрузка	Si	50	G
Влажность воздуха	RHopr	10 ~ +90	%
Температура среды	Topr	-30 ~ +80	°C

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 16 - Геометрические размеры T\R40-16 (мм)

Таблица 3 - Электро-звуковые характеристики T\R40-16

Параметр	Символ	Условия	Значение	Ед. измер.
Передатчик T40-16	Частота	fc	среда в сост. покоя	40.0±1	кГц
	SPL	P	f=40 кГц	120	дБ
	Ослабление SPL	?P	T=-30 ~ +80°C RHopr=30%	-10	дБ
	Полоса частот	?л	P=120дБ, f=40 кГц	5	кГц
Приемник R40-16	Частота	fc	среда в сост. покоя	40.0±1	кГц
	Чувствительн.	S	f=40 кГц	-59	дБ/В/мкбар
	-6 дБ напр-ть	и-6дБ	f=40 кГц	55	град.
	Полоса частот	?л	f=40 кГц	5.0	кГц
	Емкость	Cs		2100	pF

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 17 - Зависимость чувствительности от частоты для T\R40-16

Рисунок 18 Диаграмма направленности T\R40-16

Прецизионный таймер 1006ВИ1 (NE555)

Таймер состоит из двух аналоговых компараторов С1 и С2, асинхронного потенциального R-S-триггера, мощного выходного каскада и выходного каскада с открытым коллектором. Опорные напряжения компараторов UL и UИ задаются делителем с высокой точностью: UL=1/3 UИ.П и UИ=2/3 UИ.П.

Рисунок 19 - Структурная схема таймера

Выполнен таймер по биполярной технологии. Мощный входной каскад обеспечивает выходной ток 200 мА. Ток потребления ИС 3мА при UИ.П=+5В (UИ.П=4.5…16В).

Компаратор С2 имеет малое быстродействие - длительность входного сигнала =0 должна быть не менее 10 мкс. Таймер может формировать импульсы длительностью 10 мкс…1 ч.

Асинхронный потенциальный R-S-тригер описывается функцией переходов:

(3.5)

где Sn и Rn - входы, на которые можно подавать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Всю схему таймера можно рассматривать как асинхронный потенциальный триггер с двумя аналоговыми входами и и одним цифровым входом [14].

Рисунок 20 - Условное графическое обозначение 1006ВИ1 (NE555)

Таймер 1006ВИ1 (NE555) в схеме передающей части устройства используется в качестве генератора прямоугольных импульсов.

Рисунок 21- 1006ВИ1 (NE555) в качестве генератора импульсов

Т.к. необходима возможность подстройки частоты в качестве R2 используется подстроечный переменный резистор.

Конденсатор C1 заряжается от источника питания +Е через последовательно включенные резисторы R1 и R2 с постоянной времени :

(3.6)

Разряжается конденсатор C1 через резистор R2 и выходное сопротивление каскада с открытым коллектором, которым можно пренебречь.

Постоянная времени разряда :

(3.7)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 22- Временная диаграмма работы генератора

Длительности полупериодов T1 и T2 определяются соотношениями[14]:

(42)

(43)

Т.к. ниже будет введен делитель частоты и формирователь скважности равной 2, то при расчете генератора нужно получить частоту 80 кГц без задания скважности, т.е. T1?T2.

Номиналы R1,R2,C1 определяются по формулам (42), (43). Рассчитаем период генерируемого импульса Tген:

(44)

(45)

Микросхема К561ТМ2 (IW4013AN)

Микросхема К561ТМ2 (IW4013AN) содержит два двухтактных

D-триггера. Каждый триггер имеет независимые входы D, S, R, C, Q и Q'. Логический уровень со входа D передается на выход Q все время длительности тактового импульса[17].

Рисунок 23 - Структурная схема К561ТМ2 (IW4013AN)

Основные особенности К561ТМ2 (IW4013AN):

- широкий диапазон питающих напряжений от 3 В до 15 В;

- высокая помехоустойчивость;

- низкая потребляемая мощность;

Рисунок 24 - Условное графическое обозначение К561ТМ2 (IW4013AN)

Таблица 4 - Таблица истинности К561ТМ2 (IW4013AN)

D	R	S	Q	Q'
0	0	0	0	1
1	0	0	1	0
-	0	0	Q	Q'
-	1	0	0	1
-	0	1	1	0
-	1	1	1	1

Микросхема К561ТЛ1 (IW4093AN)

Микросхема К561ТЛ1 (IW4093AN) содержит четыре независимых триггера Шмитта с элементом И на входе. Особенностью этой ИС является то, что она переключается при определенном уровне напряжения на входе, т.е. обладает формирующими свойствами и может работать при любой крутизне фронта входного сигнала. Её можно применять для формирования прямоугольных импульсов с крутыми фронтами из входного сигнала произвольной формы, но достаточной амплитуды, например синусоидального или, как в данном случае, пилообразного. Помимо прямого назначения данная ИС может использоваться в качестве элементов 2И-НЕ с повышенной помехоустойчивостью.



Рисунок 25- Структурная схема К561ТЛ1 (IW4093AN)

Особенностью триггеров Шмита является также то, что они имеют два порога: верхний для включения и нижний для отпускания. Разность между порогами включения и отпускания составляет порядка 0,6 В при напряжении питагия 5 В и 2 В при напряжении питагия 10 В.

7 - общий;

14 - +Uп

Рисунок 26 - Условное графическое обозначение К561ТЛ1 (IW4093AN)

Питающее напряжение для К561ТЛ1 (IW4093AN) лежит в пределах от 3 В до 18 В. Напряжения на всех входах ограничено и составляет Uп ± 0.5 В.

Типичные цели применения К561ТЛ1 (IW4093AN) - в качестве формирователя импульсов, в условиях высоких уровней паразитных сигналов (шумов), в качестве мультивибраторов.

3.4 Печатная плата передающей части устройства

Монтаж передающей части УЗД выполнен на печатной плате. Печатная плата проектировалась в программе Sprint Layout 5.0. Плата разрабатывалась с учетом используемых микросхем и пассивных компонентов. Размер печатной платы 55х50 (мм).

Рисунок 27 - Печатная плата передающей части УЗД

3.5 Приемная часть

Рисунок 28 - Схема приемной части

Назначение приемной части - прием УЗ колебаний отраженных от препятствия, их детектирование и индикация времени запаздывания отраженного импульса относительно излученного. УЗ колебания воздуха улавливаются УЗ приемником и конвертируются в переменное напряжение. Т.к. УЗ колебания значительно ослабляются в воздухе, напряжение на приемнике TX необходимо усилить для дальнейшего детектирования. По этой же причине важно ограничить шумы по питанию в схеме, для этого используется стабилизатор напряжения DA1.

С целью усиления напряжения в схему приемной части УЗД вводятся операционные усилители. Первый каскад усиления организован на DA2.1. Делителем напряжения на R1,R3 задается смещение операционного усилителя DA2.1. С помощью R2 напряжение смещения возможно регулировать в пределах определяемых R1,R3. R6, R4 и С4 образуют петлю ООС операционного усилителя. Коэффициент усиления DA2.1 рассчитывается по следующей формуле:

(46)

и при номиналах R4=1,5 кОм; R6=120 кОм составляет:

(47)

Второй каскад усиления собран на операционном усилителе DA2.2 коэффициент усиления которого при номиналах R8=9.1 кОм; R9=120 кОм составляет:

(48)

Далее принятый и усиленный сигнал детектируется диодом VD1 и инвертируется элементом И-НЕ DD1.1.

Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют RS триггер на входы которого подаются инвертированные отраженный и излученный импульсы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 29- Временная диаграмма работы триггера DD1.3,DD1.4

Выходы триггера соответствуют выходам приемной части УЗД. Из временной диаграммы на рисунке 3.18 видно, что на выходах приемной части УЗД присутствуют противоположные по уровням импульсы. Через резистор R10 проходят импульсы тока скважность которых в обратной пропорции связана с временем запаздывания отраженного от препятствия сигнала. Чем ближе скважность импульсов к единице, тем на меньшее значение отклоняется стрелка миллиамперметра и тем больше расстояние до препятствия.

3.6 Элементная база приемной части устройства

Приемная часть УЗД собрана на электронных компонентах белорусского производства. Данные микросхемы общедоступны и имеют низкую стоимость. Электрические параметры данных микросхем характеризуются высокой стабильностью. Также данные микросхемы имеют низкую потребляемую мощность.

Стабилизатор напряжения IL78

Стабилизатор напряжения IL78 - однокристальная интегральная микросхема с выходным напряжением 5В/1А. ИМС обладает низким остаточным напряжением, низким током потребления.

Микросхема стабилизатора напряжения предназначена для создания постоянного напряжения 5В с остаточным напряжением не менее 0,5 В при токе нагрузки 1 А и используется в для питания электронной аппаратуры, в том числе в автомобильной электронике.

Микросхема устойчива к перенапряжению как положительной, так и отрицательной полярности, имеет внутреннее ограничение максимального тока нагрузки с температурным сбросом выходного напряжения.

Данная микросхема не требует внешних компонентов для применения с фиксированными параметрами. При включении в схему внешних пассивных компонентов возможно изменение электрических параметров IL78.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 31- Условное графическое обозначение IL78

Основные характеристики ИМС IL78:

- высокая точность выходного напряжения;

- максимальный выходной ток не менее 1 А;

- низкий ток потребления;

- защита от перегрева;

- схема устойчива к переполюсовке выводов;

- применима в автомобильной электронике.

Операционные усилители IL558N

Микросхема IL558N содержит два операционных усилителя применимых в различных целях. Высокий уровень выходного напряжения делает эти усилители подходящими для использования в качестве повторителей напряжения.

Рисунок 32- Структурная схема IL4558N

Напряжение питания схемы не более 16 В.

Таблица 5 - Максимальные параметры IL4558N

Символ	Параметр	Значение	Единица измерения
V+	Напряжение питания	18	В
V-	Напряжение питания	-18	В
VIDR	Дифференциальное входное напряжение	30	В
VIN	Входное напряжение	15	В
PD	Потребляемая мощность	570	мВт

Основные характеристики ИМС IL4558N:

- защита от короткого замыкания;

- низкая потребляемая мощность;

- рабочая частота до 3 МГц;

- согласование усилителей по коэффициенту усиления и фазе;

- не требуется компенсация частоты.

4 - общий;

8 - +Uп.

Рисунок 33 - Условное графическое обозначение IL4558N

Микросхема К561ТЛ1(IW4093AN)

Микросхема К561ТЛ1(IW4093AN) описана в параграфе 3.3.4.

3.7 Печатная плата приемной части устройства

Монтаж приемной части УЗД выполнен на печатной плате. Печатная плата проектировалась в программе Sprint Layout 5.0. Плата разрабатывалась с учетом используемых микросхем и пассивных компонентов. Размер печатной платы 55х35 (мм).

Рисунок 34 - Печатная плата приемной части

3.8 Счетно-индикаторная часть

Счетно-индикаторная часть расположена на микросхеме К561ИЕ8 который может являться и счетчиком и делителем.

Рисунок 35 - Десятичный счетчик-делитель К561ИЕ8

Рисунок 36 - Назначение ног микросхемы К561ИЕ8

Рисунок 37 - Внешний вид микросхемы К561ИЕ8

Рисунок 38 -Номинальные характеристики микросхемы К561ИЕ8

Заключение

Целью данной дипломной работы является разработка демонстрационной установки для исследования звуковой волны.

В первом разделе рассмотрены основные определения, характеристики, общие сведения звуковых волн, объективные и субъективные характеристики звука.

Во втором разделе был сделан анализ методов измерения и параметров звуковых волн, на основе лабораторного опыта.

В третьем разделе обоснован выбор базовой схемы дальномера на основе интегральной микросхемы таймера. Приведены результаты исследований схемы на микросхеме 1006ВИ1 (NE555). Результаты исследований показали, что схема на базе генераторов является перспективной для дальнейшего уточнения номиналов элементов и построения качественного лабораторного прибора

Результаты курсовой работы будут применены в дальнейшем при дипломном проектировании.

Список использованной литературы

1. Дущенко В.П., Кучерук И.М. Общая физика. - К.: Высшая школа, 1995г. - 430 с.

2.Исакович М.А. Общая акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.

3.Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. - М.: Наука, 1995г. - 343 с.

4. Клюкин И.И. Удивительный мир звука. - Л.: Судостроение, 1978г. - 166 с.

5. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1983г. - 520с.

6. Лепендин Л.Ф. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978г. - 448 с.

7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1982г. - 846 с.

8. Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики. - М.: Высшая школа, 1981г. - 263 с.

9. Радзишевский А.Ю. Основы аналогового и цифрового звука. -- М.: Вильямс, 2006г. -- С. 288.

10.Цифровые интегральные микросхемы. Справ./ М.И. Богданович, И.Н. Гриль, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо. - Мн.: Беларусь, 1991. - 493с.

11.Хейзерман Д. Применение интегральных схем: Пер. с англ. - М. «Мир». 1984. - 207 с.: ил.

12.Дж. Ленк. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: «Мир» 1985. - 343 с., ил. - самодеятельное техническое творчество.

13.Справочник по микроэлектронной импульсной технике С74 /В.Н. Яковлев, В.В. Воскресенский, С.И. Мирошниченко и др.-- К.: Техника, 1983.-- 359с., ил.-- Библиогр.: с. 353--356.

14 Ляшко М.Н., Маркевич К.М. Основы радиоэлектроники. Учебное пособие, издание второе, переработанное.- Минск: Народная асвета, 1991.

15.Першин В.Т. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие.- Минск: Вышэйшая школа, 2006.- 399 с.

16 Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств. Т. 1. Учеб. пособие для студентов втузов. / Пер. с англ. - М.: Постмаркет, 2002. 1088 с.

17 Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учеб. пособие для студентов втузов. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1982. 432 с.

18 Угрюмов Е.П. Цифровая электроника: Учеб. пособие для студентов втузов. - М.: БХВ, 2004. 528 с.

19 Кардашев Г.А. Цифровая электроника на персональном компьютере. Electronics Workbench и Micro-Cap: Учеб. пособие для студентов втузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. 311 с.

20 Джонсон Г. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: Учеб. пособие для студентов втузов. /Пер. с англ. - М.: Вильямс, 2006. 624с.

21 П. Хоровиц., У. Хилл. Искусство схемотехники. / Пер. с англ.; Под ред. А.Г. Шемятенкова. - М.: Мир, 1998. 697 с.

22 Токхейм Р. Основы цифровой электроники. / Пер. с англ.; Под ред. Л.П. Бирюкова. - М.: Мир, 1999. 395 с.

Размещено на Allbest.ru

...