5. Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип действия трансформатора.

2. Какие Вы знаете виды трансформаторов?

3. Схема замещения трансформатора, основные и паразитные

параметры.

4. Трансформаторы питания. Назначение, характеристики, основные

элементы конструкции.

5. Как проводится опыт холостого хода?

6. Как проводится опыт короткого замыкания?

7. Какие параметры, характеризующие работу трансформатора в

номинальном режиме, определяют в опытах холостого

хода и короткого замыкания.

8. Импульсные трансформаторы. Назначение, характеристики,

основные элементы конструкции.

9. Как искажает передаваемый сигнал импульсный трансформатор?

10. Какие паразитные параметры трансформатора влияют на

искажения передаваемого импульса?

11. Какие конструктивные решения используются для уменьшения

паразитных параметров импульсного трансформатора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3:

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖИ

3.1 Цель работы

Изучение конструкций ультразвуковых линий задержки. Исследование параметров различных ультразвуковых линий за­держки.

3.2 Подготовка к выполнению лабораторной работы

При подготовке к выполнению работы необходимо изучить: Физические принципы функционирования линий задержки на объемных акустических волнах[1];

Методы возбуждения объемных акустических волн в твердых телах [1];

Основные свойства и характеристики ультразвуковых линий за­держки [2].

3.3 Сущность работы

Линии задержки представляют собой пассивные линейные устрой­ства, основным функциональным назначением которых является за­держка электрических сигналов во времени с минимальным искажением их формы. В ультразвуковых линиях задержки (УЛЗ) временная задерж­ка сигналов достигается в результате относительно медленного ра­спространения в упругой среде акустических сигналов, в которые преобразуются входные электрические сигналы. На выходе УЛЗ про­исходят обратные преобразования акустических сигналов в электри­ческие. В соответствии с этим время задержки сигналов в УЛЗ ( t_з ) определяется длиной пути, проходимого акустической волной между излучающим и приемным преобразователями, и скоростью распростра­нения волны V :

t_з= (3.1)

Поскольку скорость распространения акустических волн примерно в 10⁵ раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, то для получения одинакового времени задержки в случае УЛЗ необходим при­мерно во столько же раз меньший путь распространения волны по сравнению с электрическими линиями задержки и соответственно су­щественно меньшие габариты устройства.

Различают УЛЗ с одним и с двумя преобразователями. В первом случае (рис. 3.1), один и тот же преобразователь последовательно преобразует входной электрический сиг­нал в акустический, излучаемой в звукопровод, а затем принимает задержан­ный во времени акустический сигнал и преобразует его в выходной электриче­ский сигнал.

Рисунок 3.1 - УЛЗ с одним преобразователем:

1- преобразователь;

2- звукопровод.

Из принципа работы ультразвуковых линий задержки ясно, что на одних и тех же входных зажимах преобразователя существуют разделенные во времени входной и выход­ной электрические сигналы, которые в меру величины вносимых потерь различаются по амплитуде, причем выходных электрических сигналов может быть несколько, если акустический сигнал до полного затуха­ния имеет возможность несколько раз пробежать по звукопроводу. Такое свойство не позволяет использовать УЛЗ с одним преобразова­телем (даже в сочетании с направленным ответвителем) в радиоэлект­ронных схемах с широким динамическим диапазоном изменения входных сигналов. В основном подобные УЛЗ применяются для получения после­довательности нескольких сигналов, задержанных на фиксированное время, и используются в калибраторах различного назначения, вклю­чая калибраторы дальности радиолокационных станций и высотомеров. Существенно большей величиной динамического диапазона обладают УЛЗ с двумя раздельными излучающими и приемными преобразователями. В таких УЛЗ в зависимости от величины t_з могут использоваться звукопроводы как с прямым ра­спространением акустических сиг­налов (рис.3.2), так и с много­кратными отражениями (рис.3.3).

1 3 2

Рисунок 3.2 - УЛЗ с двумя разде­льными излучающим и прием­ным преобразователями

где 1,2 - излучающий и прием­ный преобразователи;

3 - звукопровод.

В звукопроводах рассматри­ваемых УЛЗ используются продоль­ные и поперечные (сдвиговые) акустические волны. Последние имеют скорость распространения на 30-40 % меньше, и поэтому их использование в УЛЗ на относительно большие времена задержки более предпочтительно, так как позволяет существенно уменьшить га­бариты и вес звукопровода.

Рисунок 3.3 - УЛЗ с раздельным излучающим и приемным преобразователями с многократными отражениеми

Таким образом, конструкция УЛЗ должна содержать следующие основные элементы: звукопровод из материала с малыми потерями, обеспечивающий высокую стабильность задержки, входной и выходной преобразователи, элементы защиты от внешних воздействий, электри­ческие выводы.

Наиболее специфическими элементами УЛЗ являются преобразователи. Принцип действия преобразователей, служащих для возбуждения и приема акустических волн, основан на использовании физических явлений (пьезоэффекта, магнитострикции, электрострикции и др.), связанных с возникновением заметных механических деформаций при воздействии на тело электрических, магнитных полей или различного рода излучений. Наиболее элективный и широко распространенный способ возбуждения (приема) акустических волн состоит в использо­вании пьезоэлектрических слоев (пластин), толщина которых на основной частоте близка к половине длины акустической волны, с электродами, находящимися в акустическом контакте со звукопроводом. В основе этого метода лежит использование для излучения аку­стических волн обратного пьезоэффекта (деформации пластин под дей­ствием электрического поля, приложенного к электродам), а для при­ема прямого пьезоэффекта (возникновение электрического заряда на обкладках-электродах деформированной пьезоэлектрической пластины). Устройство преобразователя схематически показано на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Структура резонансного преобразователя объемных акустических волн:

1,3 - электроды;

2 - пьезоэлектрический слой;

4 - звукопровод;

5 - промежуточный слой;

6 - тыльная нагрузка.

При приложении к электродам внешнего переменного электрического напряжения, в пьезоэлектрическом слое в зависимости от его кристаллографической ориентации, возникают колебания сдвига или сжатия (растяжения) по толщине (в зависимости от типа преобразователя).

В результате в звукопроводе возбуждаются соответственно сдвиговые (поперечные) или продольные объемные акустические волны. Эффективность взаимного преобразования электрической и акустической энергии достигает максимума на частоте основного резонанса.

f₀ = /2d (3.2)

где  - скорость звука в пьезоэлектрическом слое;

d – толщина пьезоэлектрического слоя.

f_2n+1=(2n+1)f₀ (3.3)

где n=1,2,…

Такие пластины изготавливаются из материалов с хорошими пьезоэлектрическими свойствами. Критерием при выборе материала служит коэффициент электромеханической связи. В настоящее время для изготовления преобразователей объемных волн наиболее часто используются кристаллы SiO₂, LiNbO₃, пьезокерамика ЦТС. В качестве звукопроводов ЛЗ используют материалы с малыми акустическими потерями и высокой стабильностью характеристик распространения ультразвука. В основном это различные силикатные стекла. Если на первый план выдвигаются требования малых потерь, то наиболее оптимальным материалом для звукопровода УЛЗ является кварцевое стекло. Однако оно имеет большой температурный коэффициент задержки (ТКЗ) и поэтому малопригодно для УЛЗ, в которых в первую очередь важна стабильность времени задержки. В данном случае используют различные термостабильные стекла (Ф-1, Ф-2, С79-2), которые характеризуются значительно более высоким уровнем акустических потерь, но зато малым ТКЗ (ТКЗ_ф-2=2_*10^-6).

Основными параметрами УЛЗ являются следующие:

1. Время задержки ( с )

2. Величина вносимых потерь ВП (дБ)

ВП=20lg(U_вх/U_вых) (3.4)

где U_вых - амплитуда электрического сигнала на выходе УЛЗ;

U_вх - амплитуда электрического сигнала на входе УЛЗ.

3. Средняя частота полосы пропускания (Гц).

4. Ширина полосы пропускания, которая определяется по разности частот, при которых выходной сигнал в 1,41 раза меньше максимально­го уровня (Гц).

5. Уровень подавления ложных сигналов, т.е. выраженное в деци­белах отношение максимальной величины полезно используемого сигна­ла к наибольшему из неосновных ложных сигналов в интересующем ди­апазоне частот

ПЛС=20lg(U₀/U_л) (3.5)

6. Амплитудно-частотная характеристика.

7. Фазочастотная характеристика в заданном интервале частот.

8. Температурный коэффициент задержки

ТКЗ= (3.6)

где -изменение времени задержки в интервале частот .