Файл: Попков, В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов.pdf

и согласования сопротивлений датчика и усилителя 3 все еще исполь­ зуют ламповые усилители и катодные повторители. Это затрудняет реализацию приведенной схемы передачи информации. Ламповые катодные повторители (их блоки) требуют для размещения много места и проводов, подводящих питание, а также потребляют боль­ шие мощности. В результате приходится осуществлять сначала коммутацию датчиков на два или более катодных повторителя— усилителя и уже затем передавать информацию на большое расстоя­ ние. Вследствие такой последовательности передачи сигнала

Рис. 35. Блок-схема измерительного тракта.

увеличивается паразитная связь между каналами и отдельными датчиками, снижается динамический диапазон передаваемого сигнала (развязывания каналов) и перекрестной наводки на каналах. Кроме того, ограничиваются возможности варьирования исследования и обработки информации, а также расстояния удаления датчиков друг от друга. Таким образом, становится очевидной важность замены ламповых каскадов на интегральные схемы.

Предварительные усилители для использования совместно с вибро­

в полосе частот от единиц герц до десятков килогерц, а также не­ большими выходными сопротивлениями R BbSx.

Определенные успехи достигнуты при использовании таких усилителей в гибридно-пленочном варианте с применением бескорпусных полевых транзисторов типа 2П201 с низким уровнем собствен­ ных шумов и обычных биполярных транзисторов. Такая комбинация

обеспечивает высокие входные сопротивления и оптимальные харак­ теристики. Так, низкочастотные усилители серии 226 вполне удо­ влетворяют требованиям, предъявляемым к согласующим и раз­ вязывающим усилителям, связанным с вибродатчиками [9].

На рис. 36 приведены гистограммы распределения наиболее важных параметров (Свх, RBX, RBUX и £/ш) интегральных гибридно-

Рис. 36. Гистограммы распределений напряжения шума (а), входного со

противления (б), входной емкости (в) и выходного сопротивления (г) инте тральных гибридно-пленочных усилителей.

пленочных усилителей серии 226 (2УС261). При отборе возможно, чтобы Свх — 2 пФ; RBax = 1 Ом; RBX = 500 МОм; Um = 1— 2 мкВ.

Потребляемая мощность от источника отрицательной полярности 20—50 мВт, источника положительной полярности 10—60 мВт.

Если измерения не очень продолжительны (минуты—часы), то возможно осуществить питание гибридно-пленочных усилителей от малогабаритных таблеточных аккумуляторных элементов. Это позволит убрать из подводящих кабелей шины питания и избежать соответствующих наводок.

Конструктивно усилитель серии 226 выполнен в металлостеклян­ ном корпусе типа 252МС15—2, максимальный габарит которого 19,5 X X 14,5x4 мм. Усилитель серии 226 требует двух навесных емкостей

100

и одного сопротивления и может быть выполнен в кабельном разъеме. Простой заменой катодных повторителей может служить состав­ ной истоковый повторитель из полевого и биполярного транзисто­ ров [15], при этом величина выходного напряжения достигает 10 В. Усилители с низким уровнем шумов, высоким входным и низким выходным сопротивлением можно реализовать по схеме операционого усилителя с модуляцией — демодуляцией (МДМ). Для построе­

ламп созданы полупроводниковые фетроны. Параметры согласующих усилителей при использовании их в многоканальной аппаратуре передачи информации с вибродатчиков должны быть по возмож­ ности идентичны. Этого можно достичь, применяя жесткий отбор интегральных схем. Если специально использовать дискретные бескорпусные транзисторы в гибридно-пленочных схемах одной системы

и возможности для замены катодных повторителей и согласующих ламповых усилителей на интегральные усилители.

Многоканальные аналоговые коммутаторы (МАК) для вибр'о- акустических измерений в настоящее время строят на электромагнит­ ных реле, а также электромеханических шаговых искателях. Умень­ шение размера, веса, потребляемой мощности, а также повышение надежности коммутаторов возможно при построении их не на кон­ тактных (релейных) элементах, а на бесконтактных полупровод­ никовых схемах. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики контактных и электронных полупроводниковых коммутаторов. Видно, что характеристики бесконтактных полупроводниковых переклю­ чателей значительно лучше. Из всего многообразия полупроводни­ ковых коммутаторов наиболее ощутимый эффект можно получить при использовании коммутатора, построенного на интегральных схемах.

Основными элементами, на которых строятся различные типы многоканальных аналоговых коммутаторов, являются аналоговые ключи, логические элементы и усилители. Перечисленные элементы реализуются в виде твердых схем на биполярных транзисторах

идиодах, а также на униполярных структурах.

Внастоящее время достаточно хорошо систематизированы све­ дения по логическим интегральным элементам и составленным на них комплексам. Отметим лишь, что логическое распределитель­ ное устройство МАК можно построить практически на любых типах интегральных твердых схем.

Из ключей на полупроводниковых элементах особый интерес представляют ключи на биполярных и униполярных транзисторах, так как они обладают наилучшими техническими характеристиками. Биполярные транзисторные ключевые схемы подразделяют на раз­

ки

Таблица 2

Сравнительные характеристики контактных и полупроводниковых коммутаторов

личные классы в зависимости от способа управления, величины оста­ точных параметров, наличия и способа компенсации остаточных па­ раметров и т. д.

По способу управления (одном из важнейших признаков ключе­ вого элемента на биполярном транзисторе) все ключевые схемы можно разделить на имеющие изолированные или потенциально связанные с каналом коммутации цепи управления. Наиболее рас­ пространенными вариантами изолированных схем управления яв­ ляются схемы с трансформаторами, изолированными источниками питания и их аналогами.

Одним из относительно новых высококачественных приборов, ко­ торый можно использовать во многих рассматриваемых схемах МАК, является униполярный транзистор, на основе - которого создаются большие интегральные схемы, содержащие как транзисторы и диоды, так и сопротивления. Степень интеграции в одной микросхеме, оформленной в корпусе типа 101СТ12 (1,2x14x6 мм), может дости­ гать тысячи элементов [61.

Интерес к униполярным структурам для использования их в коммутаторных устройствах объясняется также еще и техническими характеристиками, выгодно отличающимися от обычных транзисто­ ров. Основные преимущества униполярных структур следующие:

— высокое входное сопротивление (до 1014 Ом) со стороны цепи управления (следовательно, не требуется трансформаторов в цепи управления);

102

—отсутствие в эквивалентной схеме открытого ключа на уни­ полярном транзисторе генератора напряжения;

—высокое сопротивление закрытого ключа (до Ю10Ом);

—управляемость сопротивления канала;

— хорошая совместимость и конструктивная сочленяемость

ствердыми схемами на обычных транзисторах;

—малые токи утечки (10~10— Ю~14 А);

—простота построения интегральных схем с высоким уровнем интеграции БИС только на МОП структурах, так как на них легко реализуются диоды, сопротивления, емкости и транзисторы.

Таким образом, эти приборы сочетают достоинства полупровод­ ников с рядом ценных свойств ламп и позволяют выполнять пассив­ ные радиокомпоненты. Разработке униполярных структур и их анализу посвящено немало работ [6].

Для акустических систем большое практическое значение имеют метрологические характеристики ключевых схем многоканальных коммутаторов. При реализации миниатюрных коммутаторов наи­ более просто получить приемлемые метрологические характеристики, используя полевые транзисторы типа МОП или с /ш-переходом.

Ввиду малых размеров МАК на интегральных схемах типа МОП открывается возможность построения многоступенчатых структур коммутаторов без существенного увеличения габаритов. Такие струк­ туры позволят уменьшить влияние входных сигналов от различных вибродатчиков друг на друга, что равнозначно увеличению динами­ ческого диапазона развязки различных трактов передачи.

Многоступенчатая структура МАК на п входов приведена на рис. 37. Числе} ключей многоступенчатого коммутатора с М ступе­

Такая структура на ключах с трансформаторным управлением, реле, лампах требует существенных габаритов. Многоступенчатый МАК позволяет увеличить полосу пропускания входного сигнала, уменьшить влияние помех от цепей управления и осуществить де­ шифрацию внутри самой структуры без специального дешифратора. Последнее пояснено на рис. 38, где приведена блок-схема двухсту­ пенчатого 50-канального коммутатора. В первой ступени каждой группы замкнут второй ключ, а во второй ступени — первый. Таким образом, на выход попадает сигнал от второго датчика. Управление ключами осуществляется непосредственно от делителей. В этой схеме влияние соседних каналов уменьшается в 11 раз в сравнении с одноступенчатой структурой. Благодаря высоким входным сопро­ тивлениям и малым токам затворов МОП-ключей (например, клю­ чей интегральных схем 1КТ901) делитель 1 можно нагрузить сразу на 10 ключей десяти групп первой ступени. Если делители 1 я 2 поместить непосредственно в одной конструкции с ключами, то, кроме входных концов и шин питания, понадобится всего два конца; для начальной установки делителей и для импульсов управления.

103

Поэтому МАК на интегральных МОП схемах просты, надежны, пот­ ребляют малые мощности и малогабаритны. У существующих вариан­ тов коммутаторов число проводов управления превышает число вход­ ных сигнальных проводов, а размеры — габариты коммутатора на МОП интегральных схемах (в 20—30 раз).

Использование комбинаций МОПТ с р и п каналами позволяет уменьшить статическую ошибку МАК на 50 входов от токов затво­ ров и подложек приблизительно в 5—10 раз в сравнении с МАК

получил преобразователь, рабо­ тающий по принципу поразрядного уравновешивания с цепью обрат­

ной связи (рис. 39). Преобразователи поразрядного уравновешива­ ния с обратной связью состоят обычно из узла сравнения эталон­ ного и входного напряжений, преобразователя код—напряжение (для выработки эталонного напряжения) и регистра запоминания кода. Преобразователь код—напряжение состоит из сетки преци­ зионных сопротивлений с ключами и регистра переключений раз­ рядов. Все упомянутые узлы реализуются в виде интегральных мик­ росхем [10, 74]. Логические регистры можно построить на твердых схемах («Логика», «Посол», «Таран» и т. д.), в том числе и в виде од­ ной БИС [6].

Для запоминания входной информации на время кодирования используют устройства с МОП-транзисторами. Это важно при двухканальной обработке информации с вибродатчиков, чтобы за время кодирования не изменилась разность фаз в двух отсчетах ПН К. В преобразователе код—напряжение (ПКН) используют оте-

135