Рысин О. В., Рысин А. В. Описание алгоритма и программы расчета интегратора, составленного на основе блокинг-генератора, имеющего сердечник с ППГ

Интегратор на основе блокинг-генератора (рис. 1) производит преобразование усредненной амплитуды аналогового сигнала за время импульса записи в дискретные моменты времени, определяемые по теореме Котельникова, в пропорциональные записанному магнитному состоянию импульсы разрешения счёта следующим образом. В начальный момент времени, предшествующий записи, на вход блокинг-генератора поступает импульс начальной установки, обеспечивающий перемагничивание сердечника в исходное магнитное состояние. Причём, само перемагничивание сердечника производится в соответствии с прямоугольной петлёй гистерезиса ППГ приведённой на рис. 2.

^ Увеличить ^

Рис. 1 - Интегратор на основе блокинг-генератора

Рис. 2 - Прямоугольная петля гистерезиса ППГ

Затем, поступающий на вход схемы импульсной записи аналоговый сигнал ~U(t) с помощью импульсов записи разделяется на отдельные импульсы в соответствии с теоремой Котельникова и каждый импульс пропорционально усреднённой амплитуде на временном интервале, ограниченном длительностью импульса записи , перемагничивает сердечник трансформатора в магнитное состояние пропорциональное магнитному потоку, создаваемому током импульса записи. После этого, на вход блокинг-генератора поступает короткий импульс, который запускает блокинг-генератор и происходит перемагничивание сердечника трансформатора в исходное магнитное состояние. В момент перемагничивания на выходе блокинг-генератора формируется импульс разрешения счёта пропорциональный по длительности величине записанного магнитного состояния. Здесь, следует отметить, что длительность импульса записи обуславливается инерционными свойствами перемагничивания сердечника трансформатора и выбирается короткой в соответствии с теоремой Котельникова, чтобы обеспечить необходимое число отсчётов для полного восстановления сигнала. Наоборот, импульс блокинг-генератора, формируемый при поступлении импульса считывания, должен быть как можно длиннее, что обеспечивается соответствующим числом витков коллекторной обмотки и шунтирующим влиянием элементов схемы, подключённых к обмоткам трансформатора, участвующих в процессе формирования импульса. Это требование формирования длительного импульса обусловлено тем, что длина считываемого импульса обратно пропорциональна погрешности, возникающей при частотном заполнении временного интервала импульсами счёта. С учётом требований к импульсам записи и считывания очевидно, для того, чтобы обеспечить непрерывную запись и считывание сигнала следует использовать несколько включённых параллельно относительно входного сигнала блокинг-генераторов интеграторов, на которые импульсы записи и считывания должны поступать последовательно по времени.

В завершении описания принципа работы важно отметить, что интегрирование, осуществляемое при преобразовании каждого импульса пропорционально усреднённой амплитуде на временном интервале в соответствующее магнитное состояние, позволяет выделить среднее значение сигнала из шумов, так как известно, что среднее значение «белого» шума на интервале времени равно нулю. Среднее значение амплитуды аналогового сигнала на интервале времени записи определяется согласно формуле:

• где U(t) – аналоговый сигнал, поступающий на вход интегратора, [B];
• U_c(t) - информационная составляющая аналогового сигнала, [B];
• Û_c(t) усреднённая информационная составляющая аналогового сигнала на интервале времени, соответствующем длительности импульса записи, [B];
• U_ш(t) - шумовая составляющая аналогового сигнала, [B];
• T₀ – начальный момент времени поступления импульса записи, [сек.];
• τ_зап - длительность импульса записи, [сек.].

Принцип магнитной записи среднего значения сигнала и преобразования его в интервал времени изображён на рис. 3.

^ Увеличить ^

Рис. 3 - Принцип магнитной записи среднего значения сигнала и преобразования его в интервал времени

Далее в пояснение работы схемы записи импульса остаётся разъяснить назначение отдельных её элементов.

На транзисторах VT1 и VT3 соответственно собраны усилитель-инвертор и узел управления записью. Усилитель-инвертор играет вспомогательную роль и помогает установить требуемый режим узла управления записью. Режим работы узла управления записью входного аналогового сигнала является смешанным, то есть каскад усиления с общей базой на транзисторе VT3, в моменты отсутствия импульса записи, находится в закрытом состоянии, а при поступлении импульса записи приводится в активный режим работы «А». Активный режим работы «А» транзистора VT3 обеспечивается делителем напряжения на резисторах R7 и R10. Подача запирающего потенциала в отсутствие импульса записи на узел управления записью производится с транзисторного ключа VT2 через разделяющий диод VD5. Чтобы исключить в этот момент влияние запирающего потенциала на усилитель-инвертор и защитить базу-эмиттер транзистора VT3 от пробоя, в схему узла соответственно включены диоды VD3 и VD4. Для обеспечения удовлетворительного с точки зрения потребления по току режима работы усилительного каскада на транзисторе VT1 «земляной» конец записывающей обмотки следует подключить к источнику отрицательного напряжения, обозначенному на рис. 1 пунктиром. Тогда питание усилительного каскада на транзисторе VT1 можно производить от меньшего по напряжению источника.

В связи с тем, что расчёт схемы интегратора предполагает учёт большого числа взаимозависимых параметров целесообразно автоматизировать процесс вычислений в виде программы. Программа позволяет рассчитать элементы интегратора на основе блокинг-генератора (рис. 1), собранного на трансформаторе с тороидальным сердечником. Причем необходимо, чтобы сердечник перемагничивался по прямоугольной петле гистерезиса ППГ (рис. 2).

Алгоритм программы расчета блокинг-генератора приведен на рис. 4,5.

^ Увеличить ^

Рис. 4 - Алгоритм программы-расчета блокинг-генератора. Часть 1

^ Увеличить ^

Рис. 5 - Алгоритм программы-расчета блокинг-генератора. Часть 2

Исходными данными для программы являются:

• Максимальная длительность импульса считывания, на которую рассчитывается блокинг-генератор - T_u[c];
• длительность импульса записи - T_z[c];
• напряжение питания блокинг-генератора - E_p[В];
• отрицательное напряжение питания - E_pb[В];
• магнитные характеристики материала сердечника и его петли гистерезиса:
  • приведенное динамическое магнитное сопротивление (определяется по динамическим характеристикам материала сердечника) - R_m[Ом/м];
  • индукция насыщения - B_s[Тл];
  • остаточная индукция - B_r[Тл];
  • коэрцитивная сила - H_c[А/м];
  • напряженность магнитного поля, при котором магнитное состояние сердечника характеризуется индукцией B_s - H_s[А/м];
  • напряженность магнитного поля, при котором сердечник перемагничивается в противоположное магнитное состояние (напряженность поля смещения) - H_sm [А/м] (выбирается из условия H_sm > H_c, полагаем H_sm = 1.25H_c);
  • коэффициент q, характеризующий соотношение между напряженностями полей H_s и H_sm , определяется по формуле:
    
• параметры транзистора блокинг-генератора:
  • максимально допустимый ток коллектора - I_kd [А];
  • средний коэффициент усиления транзистора по току - β или Bet;
  • напряжение насыщения коллектор-эмиттер - U_kn [В];
  • напряжение насыщения база-эмиттер - U_bn [В];
• параметры диода, подключенного между обмоткой и конденсатором в выходной цепи и цепи положительной обратной связи блокинг-генератора:
  • максимально допустимый постоянный прямой ток диода - I_vd [А];
  • падение напряжения на диоде при прямом токе - U_vd [В];
  • разделительная ёмкость по постоянному току (порядка ~1,5 мкФ) - C_p [Ф]
• Далее в исходных данных приводятся параметры трансформатора:
  • диаметр намоточного провода - D_pr [м] (может задаваться приблизительно с последующей корректировкой в зависимости от размеров и технологических особенностей намотки тороидального сердечника);
  • коэффициент заполнения внутреннего диаметра тороидального сердечника - A_c (определяется технологическими особенностями намотки тороидального сердечника и выбирается в пределах от 0.001 до 0.6);
• коэффициенты трансформации вспомогательных обмоток по отношению к основной коллекторной обмотке W_k трансформатора, подключенной к коллектору транзистора:
  • коэффициент трансформации для базовой обмотки W_b , осуществляющей подачу напряжения обратной связи на базу транзистора - N_b (как правило, N_b выбирается в пределах от 0,1 до 2);
  коэффициент трансформации для выходной обмотки W_ν в выходной цепи блокинг-генератора - N_ν (как правило, N_ν выбирается в пределах от 0.1 до 2).
• Массивы данных, которые содержат сведения о размерах тороидальных сердечников по ГОСТ 24011-80:
  • внешний диаметр сердечника - N_j [м];
  • внутренний диаметр сердечника - V_j [м];
  • высота сердечника - H_j [м].

Расчет интегратора на основе блокинг-генератора (рис. 1) производится в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 4,5 и начинается с предварительной оценки и выбора размеров тороидального сердечника для трансформатора. Полностью расчет можно посмотреть в файле Магнитный тороидальный сердечник с обмотками, а также скачать ZIP-архив или RAR-архив