Блок возбуждения для ВТП

                  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

                                     :М

                                     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