Рис. 11-25.

Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрической пластины при резонансе. /?з -акустическое сопротивление излучения кварцевого пьезо-преобразова-теля; Сд-электрическая емкость.

Радиоимпульс поступает на ультразвуковой преобразователь При который возбуждает серию ультразвуковых волн в зву-копроводе. В выходном преобразователе Пр2 задержанный ультразвуковой импульс вновь преобразуется в электрические колебания, которые затем усиливаются, детектируются и в виде видеоимпульсов поступают на выход линии.

В качестве задерживающей среды (зву-копровода) применяют различные твердые и жидкие вещества, при выбо-

&-J-у ре которых обращают вни-

I А мание на скорость распрост-л II/?. ранения ультразвука, степень затухания волн при распространении, возможность лучшего согласования преобразователей с веществом и стабильность скорости распространения волн при изменении температуры.

При задержке очень коротких импульсов на значительное время иногда применяют метод записи видеоимпульсов на магнитную ленту, проволоку или диск с последующим воспроизведением считывающим устройством через необходимый промежуток времени.

Пьезоэлектрические линии задержки. Для преобразования радиоимпульса в ультразвуковой импульс в этих линиях используются пьезоэлектрические пластины кварца или пьезокерамики. Электрическая эквивалентная схема для преобразователя в виде пластины кристаллического кварца при резонансе может быть представлена соединением акустического сопротивления (ом) и эквивалентной емкости Сэ (пф) (рис. И-25), которые определяются (для одностороннего излучателя кварцевой пластины Л-среза) формулами:

fls

где S - площадь рабочей поверхности пластины, см; fp - резонансная частота, гц; р - плотность среды звукопровода, г/сж; v- скорость ультразвука, cmjcck, и

С, 0,4 - + Со, а

где d - толщина пластины, см; S - площадь пластины, см; Со - статическая емкость пьезопреобразователя, емкость монтажа и соединительного кабеля, пф.

Полезный сигнал увеличивается, если включить последовательно или параллельно с пьезопреобразователем согласующую индуктивность Ь=\1АпСв.

При конструировании линий следует добиваться минимума потерь на преобразования, которые зависят от способа соединения пластины с звукопроводом. В качестве звукопровода применяют жидкие и твердые

среды. В жидких средах возможны только продольные волны, в твердых - поперечные, продольные и поверхностные волны.

Из жидких сред наибольшее распространение получила ртуть (скорость распространения ультразвука 11 = 1,44 мм/мксек, затухание на частотах порядка 10-15 Мгц - около 4 дб/м). Максимальное время задержки ртутных линий обычно находится в пределах 500-1 ООО мксек, а резонансные частоты преобразователей в пределах 5- 30 Мгц.

Из твердых сред чаще всего используются сплавы магния (ч=5,8 мм/мксек). На звукопроводе из сплавов магния возможно конструирование линий на несущие частоты порядка 10-15 Мгц, а из плавленого кварца - на 30 Мгц и выше.

Для уменьшения габаритов звукопровода применяют многократное отражение ультразвукового луча. Однако при отражении возникают потери энергии и увеличивается уровень паразитных сигналов, обусловленных рассеянием энергии при отражении волн от других граней.

Один из применяемых способов уменьшения габаритов звукопровода состоит в использовании поверхностных волн, так как они имеют наименьшую скорость распространения. Однако при этом возникают большие трудности технического выполнения преобразователей с малыми потерями.

Магнитострикционные линии задержки. Действие линий основано на явлении маг-нитострикции, т. е. деформации (изменении размеров) некоторых ферромагнитных тел при намагничивании и магнитоупругом эффекте (или обратной магнитострикции), состоящем в изменении ферромагнитных свойств при деформации. Линия состоит иэ звукопровода (сплавы никеля, кобальта и др.) и двух катушек - передающей и приемной (рис. 11-26).

fey

Вход

Выход

Рнс. 11-26. Функциональная схема маг-нитострикционной линии задержки.

/ - металлическая проволока (звуко-провод); 2 -катушка возбуждения; 3 - приемная катушка; 4 - постоянный магнит; 5 - демпфирующие наконечники.

Импульс тока, подводимый к передающей катушке, благодаря магнитострикции создает ультразвуковые волны, распространяющиеся вдоль звукопровода. Эти волны, спустя время LJvs, где is - расстояние между катушками, а Vs - скорость распространения волн, достигают приемной катушки и благодаря магнитоупругому эффекту индуцируют в ней э. д. с, зависящую от

величины механической деформации. Так как изменение длины при воздействии магнитного поля не зависит от его знака, для устранения нелинейных искажений в местах установки катушек производится дополнительное подмагничивание звукопровода постоянным магнитным полем. При достижении ультразвуковыми волнами концов звукопровода могут возникать нежелательные отражения. Устранение отражений достигается установкой на концах демпфирующих наконечников (поглотителей).

Для наиболее полного преобразования электрической энергии в механическую и обратно обе катушки стремятся расположить возможно ближе к звукопроводу и принимают меры для уменьшения потока рассеяния. Несмотря на это, основная доля потерь падает на преобразователи электрической энергии в механическую и обратно (35- 60 дб).

В магнитострикционных линиях не удается получить широкую полосу пропускания. Для расширения полосы звукопровод выполняют из тонкостенных трубок малого диаметра или тонких лент.

При распространении импульса вдоль линии наблюдается изменение формы, обусловленное дисперсионным эффектом - зависимостью скорости распространения от частоты.

Искажения возникают также из-за возможных отражений от концов звукопровода и от стенок на изгибах звукопровода, сделанных для уменьшения размеров линии. Достоинствами магнитострикционных линий являются: простота конструкции, малые температурные коэффициенты и невысокая стоимость.

Магнитострикционные линии изготавливаются: с плавным изменением времени задержки (что достигается перемещением приемной катушки вдоль звукопровода) с двумя и с несколькими приемными катушками. В последнем случае можно снимать с одной линии импульсы, задержанные на различные промежутки времени.

11-5. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ ЛАМП И ТРАНЗИСТОРОВ

Электронные лампы и транзисторы в импульсных схемах чаще всего работают в ключевом режиме, который характеризуется быстрым переходом из запертого состояния в насыщенное и обратно под воздействием входного сигнала, поступающего на управляющий электрод. В каждом из этих состояний малые изменения входного сигнала не влияют на выходные напряжения и ток.

Степень приближения реальных схем к идеальному ключу (бесконечное сопротивление в разомкнутом и нулевое - в замкнутом состоянии) можно характеризовать перепадом внутренних сопротивлений в обоих состояниях. Кроме того, ключ характеризуется мощностью, требуемой для управле-

ния, а также временем перехода схемы из одного состояния в другое.

В отношении длительности процесса переключения и мощности, требуемой для управления ключом, транзисторные элементы уступают ламповым. Однако внутреннее сопротивление замкнутого транзисторного ключа намного меньше, чем лампового,что весьма важно в практических схемах.

При линейном усилении прямоугольных импульсов на управляющий электрод усилительного элемента поступают два близко расположенных перепада. Однако в отличие от ключевого режима параметры усилительного элемента в этом случае меняются сравнительно мало и элемент не переходит ни в запертое, ни в насыщенное состояния.

Ключевой режим ламп

В начальном состоянии лампа (пентод) заперта исходным смещением (источник - Ее, рис. 11-27, а). Положительный перепад Uk при работе в ключевом режиме должен иметь достаточную величину, с тем чтобы перевести лампу в режим насыщения, при котором анодный ток почти не зависит от напряжения на сетке (рис. 11-27,6, в). Рабочая точка Н в этом режиме характеризуется пересечением нагрузочной прямой

Ea - Ua Ra

С линией OK критического режима. Минимальное напряжение перепада, необходимое для достижения этого режима, характеризуется таким напряжением Ее. и на сетке лампы Л, при котором все характеристики, лежащие выше Еш (Ыс>£с.н), проходят через точку Н, т. е. Lh>£c.h (рис. 11-27,6, в). Анодный ток лампы в этом случае при увеличении напряжения на сетке изменяться не будет. (Заметим, что напряжение Ес.ж может быть и отрицательным).

При рассмотрении процесса перехода лампы из запертого состояния 3 в насыщенное состояние Н необходимо учесть действие паразитной емкости Сп, состоящей из емкости монтажа См, емкости анод-катод лампы Са.к и входной емкости Сн следующего каскада (нагрузки): Сш = Сгл + + Сп + Са.и.

В момент подачи иа сетку положительного перепада напряжение на емкости остается неизменным и равным Еа, вследствие чего рабочая точка переходит в точку А с координатами (£а, fn). Анодный ток лампы ia=iR+ic в этот момент будет равен току г с емкости Сп (ток гл=0). По мере разряда емкости Сп рабочая точка перемещается по характеристике ис = С/н от А к В, причем составляющая ic анодного тока ta лампы уменьшается, а составляющая Ir возрастает,.так что общий ток ia=iR+ic меняется мало.

-Ea Па 0-CTJ

Рис. 11-27. Ключевой режим ламп. а - схема; б -напряжение иа сетке ии на аноде Ugle-характеристики лампь7 ;и диаграмма ее работы; г - эквивалентная схема для начального участка фронта выходного импульса (участок АВ характеристики); б - эквивалентная схема лампы для участка ВН характеристики (ключ Кл -замкнут) и для запертой лампы (ключ разомкнут); со ~ напряжение отсечки; -- исходное смещение; fjj - перепад входного (коммутирующего) напряжения; £j - минимальное напряжение насыщения на сетке; iga = - ; tg р= .

Напряжение на аноде изменяется в этом процессе по экспоненциальному закону

t

щ = - Еа- SUnRae .

где U =Uk-(£с--Есо) - перепад, определяющий анод- ный ток лампы.

Постоянная времени Тф находится из эквивалентной схемы на рис. 27, г, где, кроме сопротивления /?а и внутреннего сопротивления лампы Rb, учитывается входное сопротивление Rk нагрузки: Тф=7?эСп и

- => -- + - + - . Учитывая это, иног-R Ra Rb Rk

да говорят, что емкость Си разряжается через лампу, анодное сопротивление и нагрузку.

В момент достижения в точки В (рис. И-27, е) параметры лампы изменяются; лампа становится эквивалентной новому сопротивлению i?BO=arcctg 1/Р, где Р - угол наклона линии критического режима. Постоянная времени новой экспоненты Тф=

= RJIu, где /?э находится из соотношения 1111

, а эквивалентная

схема каскада для этого момента приведена на рис. 11-27,6 (в пентодах /?воС и измеряется долями и единицами килоом

и ч<т;).

После окончания этого процесса в состоянии насыщения (точка Я) напряжение на аноде устанавливается равным fa.мин, а ток /н. Таким образом, лампа в этом режиме эквивалентна замкнутому ключу Кл с внутренним сопротивлением Rbo. Фронт импульса при переходе от запертого состояния лампы в насыщенное состоит из двух

экспонент с постоянными времени Тф и Тф . Поскольку, однако, изменение напряжения для второй экспоненты (при переходе от В в Я) мало, ({/ав= (7а.мин), фронт импульса определяется первой экспонентой, и активную длительность фронта можно считать равной ф.а=2,2 Тф (рис. 11-27,6).

При переходе от состояния насыщения к запертому состоянию напряжение на аноде лампы нарастает от fa.мин до по экспоненте с постоянной времени Xc=RlCn, несколько большей Тф, из-за того что внутреннее сопротивление запертой лампы бес-т а R

конечно велико и = -7Г~ э-

Ra + Rn

Активная длительность среза импульса <с.а=2.2/эп. а результирующий перепад напряжения на аноде лампы Аиа = Еа - /н ?а = 11 Rbo . причем

а во

Для перевода лампы в режим насыщения требуется очень малая мощность, обусловленная зарядом входной емкости и сеточным током лампы.

Здесь уместно сделать несколько важных замечаний относительно усиления видеоимпульсов, при котором режим работы электронной лампы остается линейным и рабочая точка не достигает линии критического режима. Фронт и срез импульса напряжения на аноде изменяются по экспоненте с постоянной времени Тф. Амплитуда импульсов на аноде равна {/и.а~5/?а и, где [/и - амплитуда входных импульсов.

Для уменьшения длительности фронта и среза импульса ф=с~37?эСп стремятся выбирать небольшую величину сопротивления