Каталог радиолюбительских схем

ДЕТОНОМЕТР

Измерения коэффициента детонации позволяют сопоставить различные магнитофоны по величине субъективно воспринимаемых частотных искажений сигнала, вносимых лентопротяжным трактом, а также выявить доминирующие источники этих искажений. С помощью описываемого здесь детонометра измеряется уровень паразитной частотной модуляции с учетом особенностей субъективного восприятия продуктов модуляции. Прибор сравнительно прост и несложен в настройке, при этом он обладает достаточно высокими техническими характеристиками.

Структурная схема детонометра представлена на рис. 1. В приборе использован метод измерения, основанный на определении паразитной частотной модуляции гармонического сигнала в процессе его воспроизведения на испытуемом магнитофоне.

Сигнал с выхода магнитофона поступает на входной фильтр Z1, подавляющий низкочастотное наводки и высокочастотные помехи, вызывающие дополнительную погрешность измерения. Влияние паразитной амплитудной модуляции сигнала минимизируется усилителем-ограничителем U1. Сигнал с его выхода имеет форму меандра, амплитуда и крутизна фронтов которого практически не зависят от уровня входного напряжения. Этим сигналом запускается одновибратор D1, формирующий прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой и длительностью.

Паразитная частотная модуляция приводит к временным колебаниям периода входного сигнала. Поэтому скважность импульсной последовательности одновибратора оказывается зависимой от глубины частотной модуляции. В свою очередь изменение скважности импульсов со стабильной формой вызывает изменение постоянной составляющей пропорционально глубине частотной модуляции.

Для получения сигнала, характеризующего колебания скорости ленты, используется фильтр Z2, имеющий полосу частот 0,2... 200 Гц, а для выделения составляющей дрейфа есть фильтр нижних частот с частотой среза около 0,2 Гц.

После усиления в А1 сигнал измерения колебаний скорости выпрямляется квазипиковым детектором U2, на выход которого включен стрелочный индикатор PL

В канале измерения дрейфа выходной сигнал фильтра Z3 сравнивается с помощью дифференциального усилителя А2 с опорным напряжением Uоп. Индикатор Р2 указывает степень разбаланса указанных напряжений. Тем самым производится измерение медленных отклонений скорости ленты от номинального значения.

Основные технические характеристики

Принципиальная схема детонометра представлена на рис. 2. Измерительный сигнал подается с разъема XS1 “Вход” на эмиттерный повторитель (транзистор VT1). В базовую цепь транзистора включен полосовой фильтр (R1, R5, C1, C3) и диодно-резисторный ограничитель напряжения (VD1, VD2, R1), защищающий входной и последующие усилительные каскады от перегрузок. Сигнал с выхода эмиттерного повторителя поступает на второй полосовой фильтр (R10, R11, С5, С6).

Максимум совместной амплитудно-частотной характеристики фильтров близок к частоте измерительного сигнала. Подавление низкочастотных наводок и высокочастотных помех за пределами полосы прозрачности фильтров повышает помехозащищенность детонометра.

Отфильтрованный сигнал подается на двусторонний усилитель-ограничитель, выполненный на ОУ DA2. В цепь отрицательной обратной связи ОУ DA2 включен диодный мост VD4 — VD7 с низковольтным стабилитроном VD8, рабочая точка которого смещена в область лавинного пробоя током, задаваемым резисторами R16, R17. За счет этого при выходных напряжениях, не превышающих напряжения пробоя, коэффициент усиления и скорость нарастания ОУ DA2 близки к максимальным. Если выходное напряжение становится сопоставимым или большим напряжения пробоя, замыкается цепь отрицательной обратной связи, ограничивающая коэффициент передачи операционного усилителя.

Положительные импульсы полученной импульсной последовательности выделяются на резисторе R18. Фронтом этих импульсов запускается одновибратор DD1, формирующий положительные импульсы с постоянной длительностью. Значения сопротивления резистора R19 и хронирующей емкости С9 выбраны таким образом, что скважность импульсной последовательности одновибратора близка к двум.

Эти импульсы поступают на ключевой каскад (транзистор VT3), напряжение питания на который подается от параметрического стабилизатора R21, VD10. Основное назначение указанного каскада — усиление и формирование импульсов со стабильной амплитудой.

Фильтр нижних частот третьего порядка (Чебышева), выделяющий сигнал, амплитуда которого пропорциональна паразитной частотной модуляции входного сигнала, собран на ОУ ВАЗ. Частота среза фильтра около 200 Гц, коэффициент передачи равен 0,5, а подавление на частоте измерительного сигнала (3150 Гц) — не менее 80 дБ.

Полученный сигнал поступает одновременно в каналы измерения детонации и дрейфа. На входе канала измерения дрейфа включен пассивный фильтр нижних частот R34, С17 с частотой среза около 0,2 Гц. Сигнал на выходе фильтра содержит медленно меняющуюся составляющую, пропорциональную средней скорости магнитной ленты. Указанный сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ DA5, инвертирующий вход которого подключен к регулируемому источнику напряжения (R32, R35, R42, R46, VD11).

Если скорость ленты равна номинальной, а напряжение на инвертирующем входе ОУ DA5 установлено равным среднему значению выходного напряжения фильтра, отклонение выходного напряжения ОУ DA5 от потенциала нуля в ту или иную сторону свидетельствует о соответствующем дрейфе скорости ленты.

Чувствительность прибора по каналу дрейфа определяется коэффициентом усиления ОУ DA5 и может корректироваться с помощью резистора R45. Сигнал с выхода DA5 подается

через резистор R47 и сопротивление канала транзистора VT4 на измерительную головку РА1, а также на вход двухпорогового компаратора, на ОУ DA7.

Уровни порогов срабатывания компаратора задаются диодами VD16, VD17, прямо смещенными с помощью резисторов R61, R62. Если отклонение скорости не превосходит пределов измерения дрейфа (5%), то диоды VD16, VD17 остаются открытыми, а выходной потенциал ОУ DA7 — отрицательным. Вытекающим базовым током открывается транзистор VT6. Возникающее при этом свечение светодиода VD19 указывает на нормальный режим измерения. Отрицательным потенциалом открываются также полевые транзисторы VT4, VT5, замыкая цепи измерительных головок РА1, РА2.

Отклонение скорости ленты, выходящее за заданные пределы, приводит к перераспределению токов во входных цепях компаратора, вызывающего запирание диода VD16 или VD17. В любом из этих случаев на выходе ОУ DA7 появляется высокий потенциал, запирающий ключ на VT6 в цепи светодиода и транзисторы VT4, VT5, коммутирующие измерительные головки. Тем самым обеспечивается защита измерительных головок от возможных перегрузок.

На входе канала измерения детонации включен полосовой пассивный фильтр (R29, С13, R30, С16, R28, С15), амплитудночастотная характеристика которого близка к характеристике субъективного восприятия детонации.

На ОУ DA4 в неинвертирующем включении выполнен масштабный усилитель. Коэффициент передачи этого усилителя, устанавливаемый переключателем SA2, определяет пределы измерения детонации.

С выхода ОУ DA4 сигнал, характеризующий колебания скорости ленты, подается на разъем XS3 “Выход”, к которому могут подключаться измерительные приборы для визуального контроля и анализа спектра колебаний скорости. Этот же сигнал поступает на двухполупериодный квазипиковый вольтметр, выполненный на основе ОУ DA6.

Выпрямленные напряжения выделяются на резисторах R52, R53 и поступают на входы дифференциального усилителя с коэффициентом передачи, близким к единице. Выходной ток операционного усилителя протекает по цепи: резистор R64, канал полевого транзистора VT5, измерительная головка РА2.

Генератор синусоидального напряжения с частотой 3150 Гц выполнен на ОУ DA1, в цепи положительной обратной связи которого включен полосовой RС-фильтр (R3, R4, R8, С2, С4). Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью управляемого аттенюатора, образованного резисторами R6, R9 и сопротивлением канала полевого транзистора VT2. Точная установка частоты генерации осуществляется подстроечным резистором R4. При нормально разомкнутых

контактах переключателя SA1 в ОУ DA1 вводится 100 %-ная отрицательная обратная связь, срывающая колебания генератора. При включении переключателя SA1 возникают автоколебания, поступающие на разъем XS2 “Генератор” и вход детонометра. Указанный сигнал может быть использован для калибровки канала дрейфа прибора, а также записи измерительной сигналограммы.

Конструкция и детали. В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ 0,25 с допускаемым отклонением от номинала ±5, ±10%. Сопротивления резисторов R24, R27, R31, R38 — R41 необходимо подобрать с точностью 2...3 %. Подстроечные резисторы R4, R15, R37, R43, R57 типа СПЗ-22а могут заменяться на СПЗ-44, СПО-0,15. Переменный резистор R35 типа СПЗ-12 или СПЗ-4аМ.

Конденсаторы С2, С4 должны иметь малый ТКЕ (КСО-3, ПМ). Конденсаторы С10, С12, С14 — С16 типов К73, К76 с номиналами, отличающимися от указанных на схеме не более чем на ±5 %. Остальные конденсаторы типов КМ5, КМ6. Оксидные конденсаторы К50-6 могут заменяться на К50-3, К50-16.

Полупроводниковые диоды VD1 — VD4, VD9, VD18 могут быть заменены диодами серий КД522, КД509, КД510; VD12— VD16 — диодами Д311, Д312. Стабилитроны VD10, VD11 (Д818Е) допустимо заменять любыми из этой серии. Светодиод VD19 (АЛ307) (зеленого цвета) можно заменить на АЛ310. Вместо указанных на схеме можно использовать транзисторы серий КТ315, КТ342 (VT1, VT3), КТ361 (VT6). Коэффициент передачи тока базы транзистора VT1 должен находиться в пределах 150...300, транзисторов VT3, VT6 — в пределах 50... 150. Полевой транзистор VT2 допустимо заменять на КП302 с напряжением отсечки, лежащим в пределах 1...3 В, а транзисторы VT4, VT5 — на КП301А, Б.

Операционный усилитель К574УД1А можно заменить на К544УД2, в качестве DAI, DA7, DA5 можно использовать К140УД6, а в качестве DA3, DA4, DA6 — К544УД1.

Переключатель SA1 — кнопочный, типа П2К, в качестве SA2 можно использовать галетный переключатель типа ПГ3 либо любой другой. В приборе применены измерительные головки типов М1690А (РА2) с током полного отклонения 100 мкА и М592 (РА1) с током полного отклонения 100 мкА и нулем посередине шкалы. Измерительные головки можно заменять другими с током полного отклонения 50...200 мкА. При этом, однако, потребуется корректировка сопротивлений резисторов R47, R64 в соответствии с методикой налаживания, изложенной ниже.

Детонометр можно подключать к любому стабилизированному источнику напряжения ±15 и +5 В с пульсациями не более 1 мВ. Потребляемый прибором ток от источников пи-

тания не превышает 40 мА (15 В) и 50 мА (5 В). Элементы детонометра смонтированы на печатной плате из фольгирован-ного стеклотекстолита размерами 155X90 мм (рис. 3). Перемычки, обозначенные на рис. 3 сплошными линиями, устанавливаются со стороны элементов.

На лицевой панели прибора расположены следующие элементы схемы: разъемы XS1, XS2, XS3, переключатели SA1, SA2, переменный резистор R35, светодиод VD19 и измерительные головки РА1 и РА2.

Налаживание детонометра начинают с проверки правильности монтажа и напряжений питания на выходах стабилизированного источника напряжения. После этого переходят к покаскадному контролю работоспособности детонометра. На вход XS1 подают синусоидальный сигнал частотой 3150 Гц и амплитудой около 1 В. Убедившись в прохождении сигнала на неинвертирующий вход ОУ DA2, проверяют подавление низкочастотных и высокочастотных сигналов входными полосовыми фильтрами. На частотах 50 Гц и 15 кГц затухание должно составлять около 40 дБ и 12 дБ соответственно.

Балансировкой ОУ DA2 устанавливают выходной потенциал усилителя в пределах 0,2...0,5 В. Такое смещение ОУ практически не оказывает влияния на качество ограничения, но снижает ток, потребляемый ОУ DA2 в режиме отсутствия измерительного сигнала.

Для контроля сигнала на выходе усилителя-ограничителя на ОУ К574УД1 следует применять осциллограф, входная емкость щупа которого не превышает 15...25 пФ. Допустимо подключать осциллограф через резистор сопротивлением 2...5 кОм. В случае несоблюдения этих требований возможно самовозбуждение операционного усилителя. В диапазоне амплитуд входных сигналов 0,05...30 В должны наблюдаться прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и скважностью, равной двум. Возникновение несимметричности ограничения может быть связано с неисправностью одного из диодов VD4...VD7.

Амплитуда положительных импульсов на резисторе R18 должна составлять 3,7...4,2 В, а на выходе одновнбратора DD1 — около 3,5...4,0 В. Подстройкой резистора R19 необходимо установить скважность выходных импульсов одновибратора, равную двум.

Для получения указанной выше точности детонометра параметры импульсов на выходе ключевого каскада, собранного на транзисторе VT3, должны иметь вполне определенные, стабильные значения. Благодаря использованию прецизионного стабилитрона VD10 (Д818Е) амплитуда импульсов равна 8,6±0,3 В. В случае применения стабилитронов других типов потребуется их индивидуальный подбор с целью получения необходимого значения амплитуды.

Наиболее просто интегральная оценка формы импульсов производится вольтметром постоянного напряжения с высокоомным входом, подключенным к коллектору VT3. При частоте сигнала, равной 3150 Гц, среднее значение напряжения в этой точке должно составлять 4,5 В. В противном случае может потребоваться коррекция длительности импульсов подбором сопротивления резистора R19.

Правильно собранный фильтр нижних частот на ОУ DA3 в настройке не нуждается. Проверка его работоспособности заключается лишь в контроле постоянного выходного напряжения фильтра, значение которого должно быть равно 2,25 В.

После этого переключатель SA2 устанавливают на наиболее чувствительный предел измерения (0,1%) и балансируют ОУ DA4. Для калибровки двухполупериодного выпрямителя на ОУ DA6 временно выпаивают левые по схеме выводы резисторов R49, R50, а точку их соединения подключают к регулируемому источнику напряжения ±10 В. Изменению напряжения от 0 до ±8 В должно соответствовать пропорциональное увеличение напряжения на выходе ОУ DA6 до 4,5 В и угловое перемещение стрелки измерительной головки РА2 до крайней отметки шкалы. Корректировка чувствительности вольтметра проводится резистором R64.

Канал измерения дрейфа калибруют следующим образом. На вход прибора подают синусоидальный сигнал частотой 3150 Гц ±0,2 %. Установив резистор R35 в среднее положение, соответствующее отсутствию смещения средней скорости, балансировочным резистором R43 устанавливают стрелку индикатора РА1 в нулевое положение. Затем изменяют частоту сигнала на ±5 % относительно 3150 Гц и подбором резистора R47 добиваются отклонения стрелки до конечной отметки шкалы. Далее необходимо убедиться, что крайним положениям движка резистора R35 соответствует девиация частоты ±5 %. При этом выходной потенциал ОУ DA5 должен составлять ±4 В. Если это не так, чувствительность корректируют подбором резистора R45.

После этого необходимо установить порог срабатывания компаратора на уровне ±4,5...5,0 В. Для этого частоту сигнала поднимают выше указанных пределов. Установив на выходе ОУ DA5 потенциал около 4,7 В, изменяют сопротивление резистора R51 до появления скачков выходного потенциала ОУ DA7. Затем плавно понижают частоту сигнала. Значение модуля отрицательного порога компаратора не должно отличаться от положительного более чем на ±0,2 В. В противном случае потребуется подбор пары диодов VD16, VD17 по прямому сопротивлению.

Транзисторные ключи, собранные на транзисторах VT4, VT5 и VT6, при правильном монтаже в налаживании не нуждаются.

Для налаживания встроенного генератора на ОУ DA1 переключатель SA1 переводится в состояние “Включено”. Амплитуда генерируемого напряжения должна составлять 0,8...1,2 В. Если значение амплитуды существенно отличается от указанного, следует подобрать сопротивление резистора R9. Установка частоты колебаний производится резистором R4 с помощью цифрового частотомера. Отклонение частоты от номинальной (3150 Гц) не должно превышать ±0,1 %.

В заключение необходимо заметить, что детонометр может обеспечить более низкую погрешность измерения коэффициента детонации. Однако для этого надо провести калибровку канала измерения детонации, используя генератор звуковых частот с частотной модуляцией ГЗ-103. Можно также воспользоваться калибратором и методикой его применения, описанными в [2].

Проведение измерений. Измерения коэффициента детонации проводят как в процессе регулировки лентопротяжного механизма, так и в завершающей стадии испытания магнитофона. Во всех случаях необходимо исключить возможность повреждения измерительной ленты, магнитные головки должны быть правильно установлены во всех плоскостях. Несоблюдение последнего требования увеличивает различные виды колебаний магнитной ленты. Измерения проводят для всех номинальных скоростей магнитофона в начале и конце катушки или кассеты. За коэффициент детонации принимается наибольшее из полученных значений.

Перед началом измерений необходимо откалибровать детонометр. Для этого надо включить встроенный генератор (переключателем SA1) и вращением ручки переменного резистора R35 установить стрелку измерительной головки РА1 (“Дрейф”) на нулевое деление шкалы.

Из всех возможных вариантов измерений можно рекомендовать два способа, нормированных действующим стандартом [1]. Первый, наиболее простой способ заключается в воспроизведении на испытуемом магнитофоне измерительной сигналограммы с частотой 3150 Гц для проверки детонации. Он получил наибольшее распространение, наименее трудоемок и применим для испытаний магнитофонов, коэффициент детонации которых по крайней мере втрое больше собственной детонации измерительной ленты. Уровень детонации современных измерительных лент лежит в пределах 0,05...0,1 %, поэтому рассматриваемый способ пригоден для испытания магнитофонов, имеющих коэффициент детонации, превышающий 0,15...0,2 %.

Второй способ используют при отсутствии измерительной ленты или при необходимости измерения коэффициента детонации, который меньше или близок к уровню детонации имеющейся в наличии измерительной сигналограммы. Необходимость в применении этого способа возникает, как правило, при испытании высококачественных магнитофонов 0-й и 1-й групп сложности.

Измерения производят, записывая на испытуемый магнитофон синусоидальный или прямоугольный сигнал с частотой 3150 Гц и затем воспроизводя ее на том же магнитофоне. При этом сигнал подвергается частотной модуляции как в режиме записи, так и в режиме воспроизведения. Вследствие случайного соотношения фаз периодических составляющих колебаний скорости ленты в названных режимах результат сложения колебаний может отличаться от истинного как в большую, так и в меньшую сторону. Степень отклонения зависит также от доли периодических и случайных составляющих в спектре колебаний скорости. Поэтому в рассматриваемом способе требуется усреднение измерений.

Многочисленными экспериментами было установлено, что наиболее достоверному результату соответствует среднеарифметическое значение пятикратных измерений коэффициента детонации в режиме воспроизведения одного и того же фрагмента записи [1].

Используемая для измерений магнитная лента не должна иметь выраженных дефектов, например в виде осыпания рабочего слоя, перегибов или мест склеек. Эти дефекты приводят к глубоким колебаниям среднего значения сигнала на выходе одновибратора и к резкому изменению показаний прибора. Особое внимание следует обратить на качество ленты при испытании аппаратов высших групп сложности. Применяя измерения коэффициента детонации в процессе записи и воспроизведения, уровень записи сигнала устанавливают близким к номинальному. Коэффициент нелинейных искажений трактов записи и воспроизведения практически не вносит дополнительной погрешности в оценку коэффициента детонации.

Основные источники колебаний скорости ленты можно выявить с помощью сопоставления спектра детонации с частотами вращения механических узлов лентопротяжного механизма. Для этого необходимо вначале рассчитать или экспериментально измерить периоды вращения деталей кинематической схемы. Затем, подавая сигнал с выхода детонометра на осциллограф с открытым входом, с помощью масштабной сетки необходимо определить периоды наиболее интенсивных составляющих в спектре сигнала и идентифицировать соответствующие им элементы лентопротяжного механизма. Более эффективные способы спектрального анализа инфразвуковых сигналов изложены в [3]. Сопоставление периодов вращения элементов лентопротяжного механизма с периодами частотных составляющих электрического сигнала позволяет определить доминирующие источники детонации.

Причиной самых высокочастотных составляющих спектра детонации с периодом менее 0,1 с являются, как правило, биения промежуточных роликов и насадки ведущего двигателя. Колебания с периодом 0,1...0,3 с обусловлены в большинстве случаев ведущим валом: с периодом 0,2...1,0 с — прижимным роликом, а более 0,5 с — приемно-передающими узлами. В случае необходимости снижения уровня детонации лентопротяжного механизма можно воспользоваться рекомендациями, приведенными, например, в [4].

Н. Шиянов, С. Филиппов

Литература

1. ГОСТ 24863—81 (СТ СЭВ 1359—78). Магнитофоны бытовые общие технические требования.—М.: 1981.

2. Сухов Н. Детонометр.— Радио, 1982, № 1, с. 34, № 2, с. 38.

3. Сухов Н. Как улучшить параметры магнитофона.— Радио, 1982, № 5, с. 34.

4. Травников Е. Н. Механизмы аппаратуры магнитной записи.— Киев, Техника, 1976.

Радиоежегодник, 1989, с.117-128.