Каталог радиолюбительских схем

ДЕТОНОМЕТР

Н. СУХОВ

Частота измерительного сигнала, Гц 3150

Пределы измерения коэффициента колебаний скорости и детонации, % 0,002...1

пределы: 0.02; 0,05; 0,1; 0.2; 0,5; 1

Пределы измерения дрейфа скорости, %.......... ±0.1...±10

(верхние пределы: ± 1; ±2; ±5; ±10)

Пределы изменения напряжения измерительного сигнала, В .... 0,05...15

Приведенная погрешность измерений, %. не более ....... 3

Дополнительная погрешность измерений. %. не более, при колебаниях уровня сигнала на ±20 дБ (минимальный уровень 30 мВ) и наличии в нем помех частотой до 360 Гц и амплитудой, не превышающей амплитуду измерительного сигнала более чем в 3 раза .... ±2

Модуль полного входного сопротивления, кОм, на частоте 3150 Гц …… 420

Входная емкость, пФ ..... 50

Выходное напряжение генератора измерительного сигнала, В ….. 0,5

Выходное сопротивление генератора, кОм .......... 6

Относительная нестабильность частоты сигнала опорного генератора за 15 мин, %, не более..... 0,03

Важнейшим параметром, характеризующим качество лентопротяжного механизма магнитофона, является коэффициент детонации — коэффициент паразитной частотной модуляции тонального сигнала, измеренный с учетом среднего субъективного восприятия этого вида модуляции. Тот факт, что колебания скорости не подчиняются синусоидальному закону, требует нормирования не только частотной, но и динамической характеристики детонометра, а также применения в нем измерителя вполне определенного типа. Требования к детонометрам [1—3], обеспечивающие сопоставимость результатов измерений, состоят в следующем.

Частота измерительного сигнала должна находиться в пределах 3150 Гц±5%. Частотная характеристика детонометра (зависимость показаний от частоты модулирующего сигнала) должна соответствовать табл. 1 и рис. 1 (кривая 1).

Таблица 1

Частота, Гц	Затухание, дБ	Допускаемое отклонение, дБ
0,1	-48	+ 10 —4
0,2	-30,6	+10 —4
0,315	-19,7	±4
0.4	-15	±4
0,63	-8,4	±2
0,8	-6	±2
1	-4,2	±2
1,6	— 1,8	±2
2	-0,9	±2
4	0	0
6,3	-0,9	±2
10	-2,1	±2
20	-5,9	±2
40	-10,4	±2
63	-14,2	±4
100	-17,3	±4
200	—23	±4

При измерении коэффициента колебаний скорости в аппаратуре инструментальной магнитной записи, когда взвешивающий фильтр не используется, частотная характер истин а должна быть равномерной (рис. 1, кривая 2). Штриховые линии на рисунке ограничивают поля допусков на соответствующие характеристики.

Динамическая характеристика детонометра должна быть такой, чтобы при частотной модуляции измерительного сигнала прямоугольными однополярными импульсами с частотой повторения 1 Гц прибор, в зависимости от длительности импульсов обеспечивал показания, указанные в табл. 2, в процентах от показаний при синусоидальной частотной модуляции указанного сигнала частотой 4 Гц с девиацией по рис. 2.

Выполнение этого требования приближает результаты измерения детонации к её субъективному восприятию — человеческое ухо практически не реагирует на изменения высоты тона, длящиеся менее 5...10 мс. Для того чтобы не влияющие на субъективное восприятие сравнительно редкие выбросы - колебания скорости ленты не оказывали сильного влияния на показания прибора нормируют и скорость обратного хода измерителя. Она должна быть такой чтобы при частотной модуляции сигнала импульсами длительностью 100 мс с частотой повторения 1 Гц показания детонометра в промежутках между импульсами уменьшались до 40±4% от максимальных.

Таблица 2

Выпрямительное устройство детонометра должно выделять размах колебаний частоты измерительного сигнала (от пика до пика), а показания прибора должны соответствовать половине полного размаха.

Для обеспечения достоверности измерений детонометр должен быть помехе защищенным: погрешность измерений не должна превышать ±15% при колебаниях уровня входного сигнала на ±4 дБ, наличии амплитудной модуляции измерительного сигнале прямоугольными импульсами с частотой повторения 4 Гц и глубиной модуляции 30%, а также напряжения помех частотой до 180 Гц и среднеквадратическим значением до 20% полезного сигнала.

Структурная схема детонометра, разработанного автором статьи, приведена на рис. 3.

Входной сигнал подается на полосовой фильтр Z1, который подавляет низкочастотные и высокочастотные помехи, снижающие точность показаний не чувств и тельных пределах измерений. Далее сигнал поступает через масштабный усилитель A1 на амплитудный ограничитель U1, формирующий совместно с триггером Шмитта D1 последовательность прямоугольных импульсов с независящими от уровня входного сигнала амплитудой и длительностью фронта и среза.

Продифференцированные цепью U2 импульсы с выходе триггера D1 запускают ждущий мультивибратор D2, который генерирует импульсы с постоянной длительностью. Поскольку фронт запускающих импульсов жёстко привязан к моменту переходе входного сигнала через нуль, на выходе мультивибратора появляется последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности со скважностью, пропорциональной периоду частотномодулированного колебания. Форма напряжения на выходе мультивибратора показана на рис. 4.

Легко показать, что сдвиг постоянной составляющей AUm такого сигнала определяется выражением

DUm = = UmtDf,

где Um — амплитуда импульсов, t — их длительность, Df — сдвиг частоты входного сигнала. Таким образом, изменение частоты измерительного сигнала приводит к пропорциональному изменению постоянной составляющей импульсной последовательности на выходе мультивибратора.

Пропуская такой сигнал через полосовой фильтр Z2 и ФНЧ Z3 можно получить сигналы, пропорциональные соответственно колебаниям и дрейфу скорости ленты. После усиления масштабными усилителями А2 и A3 сигнал канала дрейфа непосредственно, а канала колебаний скорости — через двуполярный пиковый детектор U3 подаются соответственно на стрелочные измерительные приборы Р2 и P1. Переключателем S1 в канал измерения колебаний скорости можно включить фильтр субъективного восприятия детонации (ФСВД) Z4 [4], АЧХ и динамическая характеристика детонометра соответствуют требованиям публикации МЭК 386—72, предельные отклонения характеристик не превышают соответственно 1/3 и 1/4 допуска.

Принцнпиальни схеме детонометра приведена на рис. 5. Операционный усилитель A1 обеспечивает необходимые входные параметры детонометра. Цепь частотнозависимой ООС R3C4R5C6 совместно с пассивным полосовым фильтром R1C1R2C2 обусловливают коэффициент усиления этой ступени, равный примерно 25 на частоте 3150 Гц, и крутизну спада АЧХ (2 дб на октаву вне полосы прозрачности. Диоды V1 и V2 совместно с резистором R1 обеспечивают защиту входов ОУ от перенапряжений и ограничивают уровень сигналов, амплитуда которых превышает 1,5 В.

С входного усилителя сигнал через двусторонний ограничитель на стабисторах V3 и V4 подается на прецизионный триггер Шмитта, выполненный на ОУ А2. Последовательность снимаемых с его выхода импульсов с крутыми фронтами и постоянной амплитудой дифференцируется цепью R10C8 и запускает ждущий мультивибратор, который собран на ОУ A3. Нормальную работу мультивибратора при скважности выходных импульсов, близкой к двум, обеспечивает цепь R12V7, ускоряющая перезарядку времязадающего конденсатора С9 и возврат мультивибратора в исходное состояние.

Элементы R16, C10, L1, С11, L2, C12, R17 образуют П-образный согласованный двухзвенный ФНЧ типа “к”, подавляющий колебания частотой 3150 Гц на 95...100 дБ. Отфильтрованный сигнал, соответствующий колебаниям скорости ленты, через первое звено ФСВД С20R45 поступает на масштабный усилитель (ОУ А7), обеспечивающий требуемое усиление и переключение пределов измерений (переключатель S5). Как видно из схемы, ОУ А7 работает в режиме усиления постоянного тока. Поскольку требуемый коэффициент усиления на самом чувствительном пределе (0,02%) довольно высок (200), для предотвращения насыщения выходного каскада ОУ, которое может возникнуть из-за конечного значения напряжения смещения нуля, в усилитель введена цепь установки нуля R43—R46.

Элементы R49, С25 и R59. С23 образуют второе и третье звенья ФСВД. Переключателем S4 этот фильтр можно отключить, при этом параллельно конденсаторам С20 и С23, формирующим АЧХ детонометра в области частот от 0,1 до 4 Гц, подсоединяются конденсаторы большой емкости С19 и С26, а конденсатор С25, создающий спад АЧХ на частотах выше 4 Гц, исключается из цепи сигнала.

С выхода эмиттерного повторителя на транзисторе V17 сигнал, соответствующий колебаниям скорости ленты, можно подать для анализа на осциллограф или спектроаналнзатор. Размах напряжения на гнезде Х3 (“выход”) составляет примерно 200 мВ при полном отклонении стрелки измерителя Р2.

На операционных усилителях А10 и А11 выполнены пиковые детекторы соответственно для отрицательных и положительных полуволн напряжения. Применение истоковых повторителей на согласованных парах полевых транзисторов А8 и А9 позволило избавиться от применения в ФСВД электролитических конденсаторов, которые, как известно, не отличаются высокой стабильностью параметров. Поскольку выпрямительные диоды V18—V21 включены в цепи ООС, охватывающих ОУ А10 и A11, конечное значение напряжений на диодах не вызывает нелинейности выпрямительной характеристики детектора при работе в начальном участке шкалы. Цепи R71C29 и R74C30 определяют динамическую характеристику детонометра в области малых времен (т. е. реакцию на короткие модулирующие импульсы), а цепи R72C29 и R75C30 — время обратного хода измерителя Р2.

Сигналы с выходов обоих пиковых детекторов поступают на дифференциальный истоковый повторитель, также выполненный на согласованной паре полевых транзисторов (А12), и далее — на дифференциальный эмиттерный повторитель на транзисторах V22, V23. Применение истокового повторителя позвoлило обойтись без использования и в пиковом детекторе электролитических накопительных конденсаторов (С29, С30) большой емкости. Это позволило исключить погрешность детектирования, вызываемую явлением электрической абсорбции, свойственной низковольтным электролитическим конденсаторам. С выходов дифференциального эмиттерного повторителя продетектированный сигнал через резистор R77 поступает на микроамперметр Р2. Для коррекции его динамической характеристики параллельно этому реаистору включен конденсатор С31. Постоянная времени форсирующей цепи R77C31 согласована с постоянной времени установления показаний стрелочного измерительного прибора.

ФНЧ R18C13 с частотой среза 0,2 Гц выделяет сигнал, соответствующий медленным изменениям скорости ленты (дрейфу). Отфильтрованный сигнал подается на ОУ А4, выполняющий функции неинвертирующего усилителя постоянного тока. Козффициент усиления этого каскада (т. е. предел измерения дрейфа скорости) определяется сопротивлением резисторов цепи ООС R21 и R22—R25, коммутируемых переключателем S6. Усиленный сигнал через резистор R26 поступает на стрелочный измерительный прибор P1 и — через резистор R27 — на деухпороговый компаратор, собранный на ОУ A5. Пока отклонение скорости ленты от номинальной находится в пределах, определяемых положением переключателя S6, на входах ОУ с помощью прямосмещенных диодов V12 и V13 поддерживаются напряжения, при которых полярность выходного напряжения компаратора отрицательна. Благодаря этому транзистор V14 закрыт, контакты реле K1 и K2 находятся а положениях, показанных на схеме, а свечение индикаторного сеетодиода H1 свидетельствует о том, что детонометр работает в режиме измерения. Если же отклонение скорости ленты выйдет за пределы “коридора”, установленного переключателем S6, то компаратор изменит свое состояние — полярность его выходного напряжения станет положительной, так как разностное напряжение между входами ОУ А5 поменяет знак, Происходит это потому, что, начиная с некоторого порога, выходное напряжение ОУ А4 через резистор R27 и диоды V10 или V11 закрывает один из диодов V12, V13, определяющих исходное состояние компаратора.

Напряжение положительной полярности с выхода компаратора через токоограничивающий резистор R31 поступает на базу транзистора V14, и он открывается. В результате срабатывают реле K1, K2, и их контакты разрывают цепи микроамперметров Р1 и P2, исключая зашкаливание стрелок. Погасание светодиода H1 указывает на то, что параметры входного сигнала вышли за пределы допустимых значений, причем это относится не только к частоте сигнала, но и к его амплитуде. Таким образом, компаратор защищает стрелочные приборы от зашкаливания стрелок при малом (менее 30 мВ) напряжении входного сигнала (в том числе и при его отсутствии, например, из-за выпадения измерительного сигнала), а также обеспечивает индикацию нормальной работы детонометра, что гарантирует высокую помехозащищенность и достоверность измерений. Генератор синусоидальных колебаний опорной частоты собран на OУ A6. Частотозадающая цепь обрезованна элементами R33, R34, С15, R35, C16. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения использована цепь АРУ на полевом транзисторе V15. Управляющее напряжение на его затвор поступает с выпрямителя на диоде V16. С выхода генератора сигнал частотой 3150 Гц может быть подан через разъем Х2 для записи измерительной сигналограммы и, кроме того, непосредственно на вход детонометре через переключатель S2 для установки на нуль стрелки измерителя дрейфа скорости P1.

Питается детонометр от двуполярного источника, обеспечивающего стабилизированные напряжения +12 и —12 В при токе 100 мА и нестабилизированное напряжение +20 В для питания светодиодов H1, H2 и реле K1, K2. Схема источника питания аналогична приведенной в статье “Среднеквадратичный милливольтметр” [5].

г. Киев

ЛИТЕРАТУРА

1. International Eleclrotechnical Comuiisin. Publfcatinn 386. Method of tneasure:nl iif speed lluctiiitlons in sound rccorng and reproducing equipment. Geneva, p.172.

2. Стандарт СЭВ 1359—78. Магнитофоны бытовые. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений. 3. ГОСТ 11948—76. Приборы для измерения коэффициентов детонации, колебания скорости, паразитной амплитудной модуляции и дрейфа скорости аппаратуры для записи и воспроизведения звука. Технические требования. Методы испытаний.

4. Сухов Н. Измерение основных параметров магнитофона. — "Радио", 1981, № 7-8, стр. 50-53; № 9. с. 29-31.

5. Сухов Н. Среднеквадратичный милливольтметр. — "Радио". 1981. № 11. с. 53— 55; № 12. с. 43—45.

Радио, 1982, № 1. с. 34-37.

Размещено на нашем сайте по официальному разрешению Николая Сухова.