Звуковой локатор

Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных до­лей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в пау­зах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. Здесь заложен такой прин­цип: «рот» молчит, когда «уши» слушают. Кроме того, когда передатчик излучает радиоимпульс, приемник должен быть закрыт для приема сигнала. В противном случае он «оглохнет» и перестанет работать.

Ученых давно интересовал такой вопрос: как летучие мыши ухитряются расслышать сравнительно негромкое эхо в том оглушительном ультразву­ковом сигнале, который сами же излучают? Как им удается не оглохнуть?

Поиском ответа на этот вопрос занялся доктор О. Хенсон — анатом Уэльского университета. Ему удалось доказать правоту своего предположе­ния, высказанного лет сорок назад. Оказалось, что у летучих мышей есть мышцы, закрывающие уши в момент излучения разведывательных уль­тразвуковых криков. Точно такое же устройство имеется в радиолокаторе. Когда его передатчик излучает импульс огромной мощности, приемник на­дежно заперт электронным устройством.

В первых радиолокаторах «рот» и «уши» — передающая и приемная антенны — помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным. Теперь одна и та же антенна поочередно обслу­живает то передатчик, то приемник.

Время, которое потратит радиосигнал на путешествие до цели и обратно, измеряет прибор, который называется индикатором радиолокационного изображения. Внешне он похож на обычный школьный осциллограф. По его экрану то и дело слева направо пробегает зеленый «зайчик», оставляя в виде следа светящуюся прямую линию.

В момент посылки станцией радиосигнала световой луч получает боко­вой толчок. От этого толчка светящаяся линия на экране подскакивает, образуя зигзаг. Такой же толчок получит луч в момент возвращения радио­эха. Светящаяся линия опять подскочит, образуя новый зигзаг. Расстояние между двумя зигзагами на линии, прочерченной электронным лучом, дает возможность определить расстояние до вражеского корабля или самолета. При этом никаких сложных вычислений делать не приходится. На экран за­ранее накладывается шкала с километровыми отметками.

Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор зара­нее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь кораблю. Штурман больше не сетует на об­лака, скрывающие от него солнце и звезды, мешающие ориентироваться. Он так же уверенно чувствует себя при отсутствии видимости, как и лету­чая мышь ночью.

Для кибернетики и летучая мышь, и радиолокационная станция — это машины. А объединяет их тот обратный сигнал, который в том и в другом случае несет информацию о расстоянии до препятствия.

Эхолокатор

Всем удобен эхолокатор «Редут-0001», но вот беда — слишком мал радиус действия. Уметь определять препятствия на расстоянии до одного метра часто оказывается недостаточным.

Хорошо установить звуковой локатор на катер и отправиться с товарищами в длительное путе­шествие. Никакой туман не страшен, и можно уве­ренно плыть в темноте. Но для этого нужно, чтобы прибор определял дистанцию до препятствия на расстоянии 4—5 м так же уверенно, как и на од­ном метре.

На рисунке (см. приложения) в самом верху приведена временная диаграмма импульс­ных посылок летучей мыши. Там же дана формула, связывающая частоту посылок с расстоянием до препятствия.

В справедливости формулы можно убедиться, сравнивая эксперименталь­ные данные, полученные американским ученым Дональдом Гриффином, с расчетными. Зоолог был далек от рассмотрения летучей мыши как машины с обратной связью и потому допустил неточность. Отсутствие кибернетиче­ского подхода при рассмотрении механизма работы живого локатора не дало ему возможности усмотреть имеющуюся закономерность. А то, что такая связь существует, видно из таблицы. Для расстояний 1,5 и 4 м эксперимен­тальные и расчетные данные почти сходятся (см. приложения, таблица 1).

Человеку есть чему поучиться у летучей мыши

Пещеры служат убежищем иногда для нескольких тысяч и даже миллионов летучих мышей. Известно, что в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 миллионов летучих мышей.

Каждый вечер это огромное количество зверь­ков покидает свое убежище, чтобы снова вернуться в него утром. При этом мыши, как правило, не сталкиваются и не мешают друг другу. Можно только удивляться совершенству их приемного аппарата, как при такой сложной звуковой какофонии каждая мышь безошибочно выделяет и принимает эхо именно принадлежащего ей сигнала.

Сейчас, когда в эфире работает столько радиостанций, порой мешающих друг другу, отличные «мышиные» принципы селекции собственных звуков привлекают внимание радиофизиков и инженеров.

Принцип действия модели звукового локатора

Создавая модель звукового локатора, мы также воспользовались решениями, используемыми летучей мышью. Блок-схема аппаратуры, данная на рисунке   (см. приложения, рисунок 10), поможет разобраться в ее работе.

Всего в аппаратуре четыре «черных ящика», плюс громкоговоритель, ми­крофон и частотомер со стрелочным прибором. Назначение усилителей не требует пояснений — они усиливают сигнал. Звуковой генератор — это при­бор, вырабатывающий сигнал определенной частоты. В разбираемой схеме частота равна 5000 Гц. Детектор выделяет из звукового импульса его огибающую. Частотомер измеряет частоту сигнала. По показаниям стрелочного прибора можно определять расстояние до препятствия, поскольку оно одно­значно связано с частотой генерации.

Работает схема так. Сразу же после включения аппаратуры начинает действовать звуковой генератор. Но мощность его выходного сигнала, к со­жалению, невелика.

Поэтому между звуковым генератором и громкоговорителем поставлен усилитель мощности. В результате громкоговоритель будет издавать доволь­но громкий звук с частотою 5000 Гц.

По прошествии некоторого времени  эхо от посланного сигнала попадет на микрофон. Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как только на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена схема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой генератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микро­фона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.    

Рассмотренный цикл, состоящий из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В результате схема будет генерировать зву­ковые посылки с частотой :

Остается измерить частоту генерации и перевести ее в расстояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до препятствия равно:

где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герцах.

Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же работает и локатор летучей мыши.

Как и большинство кибернетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнала, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с детектором. Начинать нужно с их изготовления и на­ладки. Тогда сборка всей аппаратуры не займет у вас много времени и ло­катор непременно сразу же заработает. При такой последовательности в ра­боте вы не только глубже поймете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усовершенствования в блок-схему. Схема ча­стотомера настолько проста, что монтируется она вся на небольшой панель­ке, укрепленной сзади стрелочного прибора.

Усилитель сигнала

Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пре­делах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.

Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отри­цательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?

Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.

Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым ста­билизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Доста­точно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.

Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на ри­сунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что ка­сается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае поло­жение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обрат­ной связью.

К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожа­луй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя не­устойчивая система.

Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена поло­жительной обратной связью.

Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усили­тель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.

Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор Rэ, а па­раллельно ему еще конденсатор Сэ?

Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависи­мость обратного тока коллектора Iк.о. от температуры. При повышении тем­пературы обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1К.0 составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I’к.о.:

I’к.о.= Iк.о·(b+1),

где b — коэффициент усиления транзистора, а Iб — ток базы, определяемый резистором R6.

Из формулы следует, что увеличение тока Iк.о  на величину DIк.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:

DI’к.о.» Iк.о·(b+1)=35(49+1)=1,75мА.

Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться.

Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причинам. Во-пер­вых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ-Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока кол­лектора влечет за собой изменение параметров транзистора и в первую оче­редь коэффициента усиления b.

Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усложнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного тока при из­менении температуры. Вот как теперь она работает.

Увеличение сквозного тока коллектора DI’к.о (см. приложения, рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Кэ. Вследствие этого напряжение между точками 1 и 2 уменьшится, что при­ведет к уменьшению тока Iб в резисторе Rб , а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора IK = Iбb при этом уменьшится. Зная, что пол­ный ток коллектора Iк состоит из двух составляющих

Iк=I’к.о.+Iб·b

можно сделать такой вывод: температурные изменения первого слагаемого (I’к.о) приведут к обратным по знаку изменениям второго слагаемого (Iб·b). При правильном выборе параметров схемы оба слагаемых в некоторой мере компенсируют друг друга так, что коллекторный ток транзистора при этом остается неизменным.

Усилитель — это, пожалуй, самый простой «черный ящик». К тому же он чаще других встречается в кибернетических конструкциях.

Нигде обратная связь так широко не используется, как в радиоэлек­тронике.

Каждый из двух каскадов схемы «б» (см. приложения, рисунок 12) работает точно так же, как схема «а». Их работа стабилизируется отрицательной обратной связью за счет резисторов Rэ1 и Rэ2- Но этого оказалось недостаточно. За счет ре­зистора Ro.c оба каскада охвачены еще третьей обратной связью. Разберем, как она работает.

Допустим, по каким-либо причинам, включая повышение температуры, несколько возрос коллекторный ток транзистора T1.Тут же уменьшится на­пряжение между коллектором первого транзистора и общим проводом, и как следствие упадет ток базы второго транзистора. При этом коллекторный ток Т2 также уменьшится, что повлечет уменьшение падения напряжения на ре­зисторе Rэ2. Поскольку ток базы транзистора T1 в основном определяется этим напряжением, то он также уменьшится.

Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.

За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от -10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.

Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.

За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от — 10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.

Режим работы второго транзистора выбирается из условия, чтобы напря­жение между коллектором Т2 и общим проводом было равно половине пи­тающего напряжения. Это достигается подбором величины резистора Rэ1 в пределах 500—1000 Ом. Величина коллекторного напряжения первого транзистора не критична и может меняться в зависимости от b транзи­стора от 2 до 4 В.

Усилитель одинаково хорошо усиливает сигнал с частотами от 100 Гц до 10 кГц.

Очень интересна в работе схема «в» (см. приложения, рисунок 12). В литературе она назы­вается эмиттерным повторителем. На эмиттерном резисторе Rэ полностью повторяется входной сигнал с коэффициентом передачи, несколько меньшим единицы.

Тут же возникает вопрос: для чего нужна такая схема, если она не уси­ливает сигнала?

Эмиттерный повторитель — это каскад, имеющий большое входное сопро­тивление (несколько сотен килоом) и очень малое выходное сопротивление, равное 5—20 Ом. Это, собственно, не усилитель, а трансформатор сопро­тивлений. Ставится он там, где нужно в схеме иметь низкоомный выход и высокоомный вход.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя примерно равно Rвх»Rэ·b. Сопротивление Rэ рекомендуется брать в пределах 1—4,7 кОм, a b = 20—50. При этом Rвх будет лежать в пределах 20—250 кОм.

Ни в одной другой схеме нет такой отрицательной обратной связи, как в эмиттерном повторителе. Здесь она равна 100%. Это значит, что весь сигнал с выхода схемы полностью прикладывается к ее входу. Схема рабо­тает очень стабильно. Разберите схему обратной связи самостоятельно. Необходимый опыт у вас теперь есть.

Рассмотрев работу всех трех схем, «а», «б» и «в» (см. приложения, рисунок 12), можно сде­лать следующий вывод: отрицательная обратная связь всегда повышает устойчивость работы аппаратуры. Этого никогда не следует забывать, и надо стараться как можно чаще ею пользоваться.

Рассказывая об использовании обратной связи в радиоэлектронных схе­мах, следует напомнить о генераторах синусоидальных колебаний. Без них теперь не обходится ни радиопередатчик, ни радиоприемник. Схема, пока­занная на рисунке 3, г, есть генератор звуковых частот. Ее подробный раз­бор будет дан при описании платы «детектор — звуковой генератор».

Изготовление платы «усилитель сигнала» (см. приложения, рисунок 11) начинается с основа­ния. Вырезается оно из куска гетинакса или текстолита толщиной 2,0—2,5 мм. Размеры берутся из рисунка 13 (см. приложения). Монтажными стойками служат кусочки медной проволоки (гвоздики) толщиной 1 мм, вставленные в отверстия платы, залитые на рисунке черной краской.

Данные деталей берутся из электрической схемы. Резистор R5 пока не ставить. Сделать это при на­лаживании схемы.

Транзисторы T1 —T3 перед установкой в схему проверяются на тестере. Коэф­фициент усиления должен находиться в пределах 50—100. Подойдут не только транзисторы, указанные на схеме, но и П13 —П16.

Налаживание платы сводится к подбору резистора R5. Временно ставится вместо него переменный резистор 1,5—2,2 кОм. Нужно подобрать величину так, чтобы вольтметр постоянного тока, подключенный параллельно R8, показы­вал 4,5 В. Далее переменный резистор заменяется постоянным. Его ве­личина должна быть равна сопротивлению переменного резистора, заме­ренному на омметре.

Для окончательной проверки работы схемы на вход усилителя (точки 2—3) от любого звукового генератора подаётся сигнал в 1 мВ с частотой 1000 Гц.

Движок переменного резистора R3 поставьте в крайнее верхнее положение. На выходе (точки 6—7) вольтметр переменного тока должен показать не менее 1 В.

Разделив показания прибора на 1 мВ, вы получите величину коэффициента усиления усилителя. Как уже говорилось, он не должен быть меньше 1000. В крайнем нижнем положении движка резистора R3 вольтметр покажет отсутствие сигнала.

Усилитель мощности

Не всегда от усилителя требуется, чтобы он усиливал сигнал по напряжению. Иногда как раз все наоборот, на вход по­дается сигнал, больший по амплитуде, чем снимается с выхода.

Значит, такой усилитель вовсе не усиливает? Нет, усиливает. Только усиливает он сигнал не по напряжению, а по мощности. На вход его по­ступает сигнал незначительной мощности, ну, скажем, в несколько микро­ватт (мкВт), а с выхода снимаются сотни милливатт (мВт), а то и целые ватты (Вт).

Выходная мощность нашего усилителя (см. приложения, рисунок 14) составляет 0,2—0,25 Вт. Питается схема от любого источника постоянного тока напряжением 9—12 В. Одним из вариантов питания являются две последовательно соединенные ба­тареи от карманного фонаря типа 3336Л.

Усилитель потребляет ток 30—35 мА в режиме максимальной мощности. Выход усилителя рассчитан на работу с электродинамическим громкогово­рителем, имеющим сопротивление звуковой катушки 6—10 Ом. Нам подой­дут малогабаритные громкоговорители типа 0,1 ГД, 0,15ГД, 0,2ГД и 0,25ГД. Входное сопротивление усилителя составляет 2 кОм. Чувствительность, со­ответствующая номинальной мощности, равна 0,2—0,3 В.

Схема (см. приложения, рисунок 14) имеет один каскад предварительного усиления напряже­ния на транзисторе Т1 и выходной двухтактный каскад, работающий в ре­жиме класса В на транзисторах Т2 и Т3.

Выбранная схема выходного каскада делает усилитель очень экономич­ным по питанию. Транзисторы Т2 и Т3 работают при токе покоя коллектора в несколько миллиампер. Когда на схему не подается никакого сигнала, ток коллектора Т2 и Т3 равен 1—2 мА.

Пожалуй, самыми ответственными деталями усилителя являются транс­форматоры Тр1 и Тр2. При их изготовлении нужно быть особенно вниматель­ными. Лучше всего купить их в магазине. Междукаскадный трансформатор и выходной трансформатор — от карманных приемников «Гауя», «Селга», «Сокол», «Альпинист», «Атмосфера» или «Юпитер». Мож­но использовать и другие типы трансформаторов от малогабаритных прием­ников, лишь бы их намоточные данные были близки к приводимым ниже.

Самодельный междукаскадный трансформатор Тр1 выполнен на сердеч­нике из пермаллоевых пластин Ш-6 или Ш-8, толщина набора —6 мм. Пер­вичная обмотка содержит 2000 витков провода ПЭ 0,1. Вторичная обмотка состоит из двух секций по 500 витков провода ПЭ 0,1 в каждой.

Выходной трансформатор Тр2 собирается на таком же сердечнике, что и междукаскадный. Первичная обмотка содержит две секции по 400 витков провода ПЭ 0,14. Вторичная обмотка имеет 100 витков провода ПЭ 0,35. Когда трансформаторы полностью собраны, проверьте их обмотки на обрыв.

Данные остальных деталей усилителя мощности приведены на рисун­ке 9. Транзисторы Т1—Т3 перед тем, как впаивать в схему, обязательно про­верьте на тестере. Нам подойдут транзисторы с коэффициентом усиления от 30 до 60. Обратите обязательно внимание на начальный ток коллектора Iк.н. Отберите те транзисторы, у которых Iк.н. не превышает 5 мкА.

Страницы: 1, 2, 3