Звуковой локатор

Вся электрическая схема, включая два трансформатора, монтируется на гетинаксовой или текстолитовой плате размером 120X80 мм, толщиной 2,0—2,5 мм.

По рисунку 6, а на плате произведите разметку отверстий. Те из них, что залиты краской, просверлите сверлом диаметром 1 мм. Затем во все миллиметровые отверстия вставьте кусочки медного провода (гвоздики) диаметром 1 мм и длиной 10 мм.

Расположение деталей на плате и сам монтаж сделайте строго по ри­сунку 15, б (см. приложения). Особенно внимательны будьте при распайке выводных концов трансформаторов. Напутаете в их подключении, усилитель работать не будет. Отыскать такую ошибку бывает трудно даже опытному инженеру, в распоряжении которого имеется вся необходимая измерительная аппа­ратура.

Наладка схемы сводится в первую очередь к проверке монтажа. Необ­ходимо тщательно проверить распайку выводов транзисторов. При этом же­лательно убедиться в правильности номинальных значений резисторов. Кто из вас не имеет еще достаточного опыта, именно в этом чаще всего допу­скает ошибки. Если ошибочно впаяна деталь с другим номиналом, отыскать неисправность бывает очень трудно.

Необходимо в этой схеме замерить мощность сигнала, подаваемого на громкоговоритель. Она и является выходной мощностью нашего уси­лителя.

Подайте на вход платы (см. приложения, точки 2 —3, рисунок 15) от звукового генератора переменное напряжение 0,2 В, частотой 1000 Гц. К точкам 6—7 подключите громкоговоритель нужного типа. Перемещая движок резистора R1 вверх, добейтесь максимальной громкости сигнала. Усилитель работает!

Любым вольтметром переменного тока измерьте напряжение сигнала, подаваемого на громкоговоритель (точки 6—7). Подсчет выходной мощ­ности производится по формуле:

где U — напряжение по прибору в вольтах, R — сопротивление  звуковой ка­тушки громкоговорителя в омах.

Предположим, что прибор покажет напряжение 1,5 В, а сопротивление звуковой катушки равно 10 Ом. Тогда мощность сигнала, подаваемого на

громкоговоритель, равна: 

В этом случае из громкогово­рителя должен раздаваться довольно громкий чистый звук.

Если полученная мощность окажется меньше 0,2 Вт, то следует подо­брать величину резистора R6. Эту операцию удобно проводить с помощью переменного резистора несколько большего номинала, нежели рекомендуе­мый. Последовательно с переменным резистором обязательно включите по­стоянный резистор в 2 — 3 кОм. Он предохранит транзисторы от случайной перегрузки большим током, который может возникнуть при выдвижении движка в сторону минимального значения.

Одновременно контролируется коллекторный ток обоих транзисторов. В режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала, он не должен быть больше 1—2 мА. Миллиамперметр с током полного отклонения в 5 мА включается между средней точкой трансформатора Тр2 и проводом питания.

Как ни проста схема усилителя мощности, но и в ней не удается обойтись без обратной связи. Я уже говорил, в схемах радиоэлектроники они вас будут преследовать всюду, и к этому будьте всегда готовы. В рассматри­ваемой плате имеется одна отрицательная обратная связь за счет эмиттерного резистора R 4. Работа похожей схемы нами уже разбиралась. Такая связь не только стабилизирует работу первого каскада по температуре, но и увеличивает входное сопротивление до 4—5 кОм.

Звуковой генератор и детектор

Полная электрическая схема дана на рисунке 16 (см. приложения).

С первого взгляда любая схема кажется сложной и запутанной. Но этого не следует бояться, сложна она только вначале.

С чего начинать разбор электрической схемы неизвестного электронного устройства?

Вначале все устройство постарайтесь представить в виде «черного ящи­ка» и уясните, для чего он нужен, для решения каких задач предназначен. Заодно уточните сигналы, которые подаются на «ящик» и которые с него снимаются.

Как бы ни было сложно устройство, разобраться в нем поможет описа­ние блок-схемы машины.

Назначение блок-схемы — разбить машину на блоки (устройства) и рас­смотреть, как они взаимодействуют друг с другом.

А что значит на языке кибернетики «взаимодействуют друг с другом»? Это значит, какими сигналами обмениваются между собою отдельные устройства, какие сигналы подаются на их входы и какие снимаются с вы­ходов.

В нашем случае «черный ящик» — это плата звукового генератора и детектора. Разбирая блок-схему модели звукового локатора, вы должны были уяснить себе ее назначение. На вход платы (см. приложения, рисунок 16, точки 2—3) подается сигнал эха, который перед этим усиливается платой усилителя сигналов. Входной сигнал имеет вид прерывистых звуковых импульсов с частотой за­полнения около 5000 Гц.

Далее нам известно, что в плате имеется схема генератора звуковых ко­лебаний, которая генерирует только тогда, когда сигнал на входе отсутст­вует. При возвращении эха генератор тут же прекращает работать на время, пока сигнал не исчезнет. Сигнал звукового генератора, работающего все время вот в таком прерывистом режиме, и является выходным сигналом платы.

Больше о работе разбираемой платы вам пока ничего не известно. Но, оказывается, и того, что известно, вполне достаточно, чтобы самостоятельно составить электрическую схему внутренностей «черного ящика». Вариантов здесь будет, конечно, много. Каждый из вас захочет внести какие-либо «усовершенствования».

Разбирать работу незнакомой схемы советую всегда слева направо по направлению прохождения сигнала. Вы уже могли заметить, что вход схемы всегда чертится на рисунке слева, а выход — справа.

Как правило, если не все, то большинство каскадов вам всегда будет знакомо. Тогда остается разобраться во взаимодействии их друг с другом. Например, в плате рисунка 16 (см. приложения) первые два каскада вам долж­ны быть известны.

Каскад на транзисторе T1—это электрический фильтр. Работает он так же, как и электронное реле, с той лишь разницей, что реагирует только на сигнал со строго определен­ной частотой. Когда сигнал на вход каскада не подается или подается с ча­стотой, не равной частоте настройки фильтра, транзистор заперт.

Как вы думаете, почему в плате используется селективное электронное реле? То есть такое реле, которое реагирует на сигнал с определенной ча стотой, равной резонансной частоте контура L1C1.

С выхода первого каскада (см. приложения, рисунок 16) сигнал через резистор R4 поступает на эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2. Напряжение на его выходе полностью повторяет сигнал на входе.

Нагрузкой эмиттерного повторителя служит каскад на транзисторе Т3. Это и есть генератор звуковых частот. Когда транзистор T1 заперт, все на­пряжение питания платы через резисторы R 3 и R 4 прикладывается к базе транзистора Т2 и далее на схему генератора. В результате генератор генери­рует звуковые колебания. Когда транзистор T1 открыт — генератор не рабо­тает, напряжение на него не подается.

Генератор, генерировать... Как часто мы произносим эти слова. А что такое генератор?

Если обратиться к «Словарю радиолюбителя» С. Э. Хайкина (1966), то там сказано так: «Генератор — это прибор, генерирующий (создающий) электрические напряжения или токи». Кибернетику трудно согласиться с та­ким определением. На любое незнакомое устройство он смотрит как на «черный ящик» и старается прежде всего исследовать его входной и выход­ной сигналы.

Физика это положение тоже подтверждает. Из нее вы знаете, что перпе­туум мобиле невозможен!

Чтобы генератор генерировал, на него нужно подавать питающее напря­жение. Это и будет в конкретном случае входным сигналом разбираемого «черного ящика». Выходным сигналом является генерируемое переменное напряжение звуковой частоты. Если входной сигнал отсутствует, то есть если на схему генератора не подается питающего напряжения, то, естест­венно, выходной сигнал будет равен нулю.

Внутренности генератора могут быть самыми разными. Но во всех слу­чаях в схеме должен быть усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, охваченный положительной обратной связью.

Разберем, как действует положительная обратная связь в схеме ри­сунка 16 (см. приложения).

Усилитель в схеме найти нетрудно. Он собран на транзисторе Т3. Его на­грузкой является колебательный контур L2, C3, С4. Подобный усилитель в ра­диотехнике называется резонансным усилителем. Ему не безразлично, какой сигнал усиливать. Если частота входного сигнала близка к резонансной частоте контура, коэффициент усиления резко возрастает. Для всех осталь­ных частот он может быть даже меньше единицы. Вот почему рассматри­ваемую схему еще называют селективным усилителем.

Цепь положительной обратной связи — это провод, идущий от конденса­торов С3—С4 к резистору R7. Поскольку используется селективный усили­тель, то схема будет генерировать сигнал только с частотой, равной резонанс­ной частоте контура L2, C3, С4. Это потому, что положительная обратная связь работает только на этой частоте. Перестройку частоты проще всего производить, изменяя индуктивность катушки сердечником подстройки.

В схеме генератора можно использовать и обычный усилитель, где на­грузкой является резистор. Но в этом случае условия генерации соблю­даются одновременно для большого числа гармонических сигналов с раз­личными частотами. Получится обычный мультивибратор, с работой кото­рого вы уже знакомы по второй главе.

На этом разбор схемы звукового генератора и детектора закончим.

Чертеж и монтажная схема даны на рисунке 8.

Катушки L1 и L2 намотайте, используя ферритовый броневой сердечник типа СБ-14 или ОБ-12. Число витков — 200—250, провод — ПЭ 0,1. 

Налаживание платы лучше начинать с генератора. Подайте на него от двух последовательно включенных батареек 3336Л необходимое напряже­ние и подбором резистора R5 добейтесь, чтобы схема генерировала. Под­ключите к точкам 6—7 высокоомные головные телефоны, и вы услышите довольно громкий писклявый тон. Генератор работает. Измерьте частоту выходного сигнала. Если она значительно отличается от 5000 Гц, то попро­буйте сердечником катушки L2 перестроить индуктивность. Когда и это не помогает, изменяйте число витков катушки.

Вторым настраивается селективное реле на транзисторе T1. Резонансная частота должна равняться ча­стоте сигнала генератора. В противном случае придется подстраивать кон­тур L1C1.

Для окончательной проверки платы восстановите схему и включите пи­тание. В телефонах, подключенных на выход (точки 6—7), вы услышите звук. Соедините коллектор транзистора Т1 с общим проводом питания, звук должен пропасть. Напряжение питания в этом случае на генератор не по­дается. Вот почему он замолчал.

Тот же результат вы получите, если точку 2 соедините с точкой 1. Тран­зистор T1 откроется, и, как результат, напряжение на его коллекторе упадет до нуля.

Испытания схемы подтвердят вам не только исправную работу всех трех каскадов, но и правильное их совместное функционирование. Ни одну плату, а тем более такую сложную, как эта, нельзя ставить в устройство без пред­варительной проверки.

Частотомер

Это прибор, на вход которого подается электрический сиг­нал неизвестной частоты напряжением 1—5 В. Частота определяется непо­средственно по стрелочному прибору, шкала которого размечена в герцах. И что самое ценное, в описываемом частотомере никакой предварительной градуировки не требуется. Все достигается расчетным путем с вполне доста­точной для нас точностью.

При использовании частотомера в модели звукового локатора шкалу удобнее разметить прямо в метрах до препятствия. Как перевести метры в герцы и наоборот, я уже писал в начале раздела.

Схема частотомера приведена на рисунке 18 (см. приложения). Принцип измерения осно­ван на заряде и разряде конденсатора С2. Проследим с самого начала, как все получается. Во-первых, это поможет понять работу прибора, а во-вто­рых, нам нужно вывести формулу, которая бы связала показания милли­амперметра с измеряемой частотой сигнала.

Измеряемый сигнал через конденсатор С1 и ограничительный резистор R2 поступает на базу транзистора T1. Посмотрите повнимательнее на схему: то, что нарисовано слева, — это самый обычный каскад усиления напряже­ния. Единственное, что может вас смутить, так это несколько необычная его нагрузка, состоящая из двух диодов Д1 и Д2 и стрелочного прибора.

Рабочая точка транзистора выбирается строго на середине линейного участка, что достигается соответствующим подбором резистора R1. В ре­зультате на выходе каскада на резисторе К3 имеем ограниченное с двух сто­рон переменное напряжение неизвестной частоты. Но это только тогда, когда величина входного сигнала превышает 1 В. Вот почему каждый раз перед определением частоты неизвестного сигнала требуется измерить его напряжение.

Когда транзистор T1 заперт, все напряжение источника питания прикла­дывается к конденсатору С2, последовательно включенному с диодом Д1 и миллиамперметром. Диод Д2 в этот момент заперт, так как включен в обрат­ном направлении. Конденсатор С2 будет заряжаться. Его зарядный ток, про­ходя по рамке прибора, вызовет отклонение стрелки, пропорциональное среднему значению проходящего тока.

 В тот момент, когда транзистор ti открыт, конденсатор С2 разряжается через диод Д2 и проходное сопротивление коллектор—эмиттер транзистора.

Постоянные времени цепей заряда и разряда выбраны таким образом, что при каждом цикле заряд — разряд конденсатор успевает зарядиться до напряжения источника питания и разрядиться до нуля. Поэтому можно считать, что полный заряд конденсатора равен:

где Q—заряд конденсатора, а Eб—напряжение источника. Об этой форму­ле вы можете прочитать в учебнике по физике для  10-го класса.

Весь ток электрического заряда протекает через миллиамперметр за вре­мя одного периода измеряемого сигнала — Тизм. Отсюда среднее значение тока, то есть ток, который показывает прибор, равен:

где fизм— частота в герцах. Остальные обозначения вам уже известны. Чтобы получить окончательное выражение формулы. Q мы заменили на

Теперь решим полученное выражение относительно fизм и получим искомую формулу, связывающую частоту сигнала с показаниями миллиам­перметра:

где С2 — емкость в микрофарадах, Iпр — показания стрелочного прибора в миллиамперах,  Еб—напряжение источника питания в вольтах,  Еб = 9 В.

Емкость конденсатора и напряжение питания постоянны. Следовательно, ток, проходящий через прибор, зависит только от измеряемой частоты сигнала. При конденсаторе С2 = 1,1 мкФ расчетная формула принимает вид:

Например, прибор показывает ток, равный 0,5 мА. В этом случае измеряе­мая частота равна 50 Гц.

В схеме частотомера используется миллиамперметр с током полного от­клонения в 1 мА, что будет соответствовать частоте 100 Гц.

При С2 =0,11  мкФ расчетная формула принимает вид:

что соответствует  1000 Гц при полном отклонении стрелки прибора.

Изготовление частотомера  начинайте с подбора необходимых радиоде­талей согласно электрической схеме  (см. приложения, рисунок 18).

В качестве миллиамперметра подойдет любой стрелочный прибор по­стоянного тока с чувствительностью 1 мА на всю шкалу.

Необходимую величину емкости С2 проще всего получить из двух парал­лельно включенных конденсаторов.

Транзистор T1 может быть любого .типа из МП39—МП42. Лишь бы он был исправен и имел коэффициент усиления 50—100. Перед тем, как его впаивать в схему, не забудьте проверить на тестере.

Величина резистора R1, подбирается в зависимости от b транзистора из условия работы каскада строго на середине линейной характеристики.

При проверке диодов Д1 и Д2 на омметре обратите внимание на величину прямого сопротивления. Отберите те, у которых наименьшее прямое сопро­тивление. Схема настолько проста, что предварительно собирать ее на макет­ном шасси нет необходимости. Один из вариантов расположения деталей на плате, а также общий вид прибора показаны на рисунке 9.

После того, как прибор смонтирован и подобрана величина резистора R1 еще раз проверьте полярность подключения диодов. Шкалу стрелочного прибора разметьте в герцах или метрах.

Сборка звукового локатора

Полная схема звукового локатора дана на рисунке 19 (см. приложения). Она включает три платы: плату усилителя сигналов, плату уси­лителя мощности и плату звукового генератора с детектором. С работой и изготовлением всех трех плат вы познакомились. Как работает частото­мер, тоже знаете. Микрофон и громкоговоритель можно использовать от эхолокатора «Редут-0001». Не забудьте, что громкоговоритель подключается без выходного трансформатора, прямо к точкам а-а (рис. 5).

Из физики вы знаете, как подсчитать длину волны звуковых колебаний, зная их частоту и скорость звука. Формула такая:

где l — длина волны звука в воздухе в сантиметрах, с — скорость звука в воздухе в сантиметрах за секунду, f — частота звуковых колебаний в герцах. В нашем локаторе частота звуковых колебаний выбрана равной 5000 Гц. Отсюда длина волны звуковых колебаний в воздухе равна 6,8 см.

Рупор будет тогда излучать и принимать звук узким пучком, когда его размеры больше длины волны. Рупор от локатора «Редут-0001» этому усло­вию полностью не удовлетворяет. Лучше сделать другой рупор, большего размера, а капсюль оставить от ДЭМШ-1. Одно плохо: сразу же увеличатся габариты аппаратуры в целом.

Конструктивно локатор может быть выполнен в двух вариантах (см. приложения, рисунок 20). Один из них рассчитан на установку аппаратуры на катер или автомобиль, второй — чтобы держать в руках. Оба варианта питаются от комплекта ба­тарей из двух 3336Л.

Проверку работы локатора начинайте на предметах, имеющих большую поверхность отражения, таких, как забор или стена дома. Убедившись, что все работает, переходите к обнаружению стволов деревьев и густых кустар­ников. При некотором опыте вы и их будете уверенно «видеть» на расстоя­нии до 5 м.

Используя звуковой локатор для измерения скорости звука, частоту им­пульсных посылок придется определять с большей точностью. Описанный частотомер для этих целей уже не подойдет. Он слишком груб. Здесь по­дойдет метод измерения частоты с помощью осциллографа и звукового гене­ратора по фигуре Лиссажу.

Установите жестко локатор на расстоянии пяти метров от глухой стены здания и измерьте частоту звуковых импульсов в герцах. Скорость звука при этом определяется по формуле:

с – 4l •f    (м/с),

где l - расстояние от рупора до стены в метрах.

Чем точнее измерите расстояние до препятствия и частоту импульсов, гсм точнее получите результат. Эксперимент можно усложнить и попытаться определить зависимость скорости звука от температуры и влажности воздуха.

Хотя звуковой локатор я и назвали моделью, но работает он отлично, как настоящий!

Литература

1. Э.Ш.Айрапетьянц, А.И.Константинов, «Эхолокация в природе», Ленинград, издательство «Наука» ленинградское отделение, 1974г.

2. В.Г.Борисов, “Юный радиолюбитель”, Москва, издательство «Радио и связь», 1972г.

3. А.И.Константинов, «Эхолокация животных», Москва, издательство «Знание», 1982г.

4. Ю.М.Отряшенков, “Юный кибернетик”, Москва, издательство «Радио и связь», 1978г.

5. Р. Сворень «Электроника шаг за шагом», Москва, издательство «Детская литература», 1986г.

6. С.Э.Хайкин, “Словарь радиолюбителя”, издательство «Радио и связь», 1966г.

7. «Большая энциклопедия животного мира», / Е.Л.Богатырева, Т.В.Воронина, М.В.Комогорцева и др., Москва, издательство «Росмэн», 2001г.

Страницы: 1, 2, 3