книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы

Коэффициенты ряда Фурье из выражения (2-7) находятся по формулам:

91

Таким образом, первая гармоника индукции содержит как син­ фазную с м. д. с. возбуждения составляющую а\ cos at, обус­ ловленную лишь проницаемостью на частном цикле | А д , так и квадратурную b\ sin at, полностью определяемую потерями на гистерезис. Если выделить синфазную составляющую, то можно использовать зависимость ^ д = 2\Нт + ц. от В 0 С т в соответствии с рис. 2-7, а выходной сигнал на первой гармонике будет про­ порционален }хд. На этом принципе был построен ряд АЗЭ1 [Л. 39, 82, 83, 97]. Общим недостатком всех этих элементов яв­ ляется отсутствие монотонной зависимости выходного сигнала от Вост, поэтому для построения АЗЭ была использована только часть полного диапазона изменения В0 ст- Практически удается получить кратность изменения рд порядка 1,5—4,5. Увеличить диапазон изменения выходного сигнала при необходимости можно посредством применения двух сердечников со встречным включением выходных обмоток. Одновременно такое включение позволяет получить на выходе различные, сдвинутые на 180° фазы первой гармоники. Интересно отметить, что если синфаз­ ная составляющая падает с увеличением абсолютного значе­ ния Вост, то квадратурная, как это следует из (2-12) и (2-14), растет. Поэтому диапазон изменения полной первой гармоники обычно бывает в несколько раз меньше, чем диапазон измене­ ния ее синфазной составляющей.

Практически более удобно использовать в качестве выход­ ного сигнала вторую гармонику. Действительно, как следует из (2-12) и (2-14),

Таким образом, амплитуда второй гармоники пропорциональна абсолютной величине В о с т , а ее фаза меняется на 180° при изменении полярности В 0 ст, т. е. в отличие от первой гармоники вторая во всем диапазоне изменения остаточной индукции за­ висит от нее монотонным образом. Другим важным преимуще­ ством считывания на второй гармонике является частотная развязка входных и выходных цепей, являющаяся наиболее эффективным методом выделения полезного сигнала на уровне шумов. Это обстоятельство приобретает решающее значение при создании микроминиатюрных АЗЭ (§ 4-5,в).

Для компенсации основной составляющей на выходе и вто­ рой гармоники в цепи возбуждения можно использовать схему из двух сердечников, как это изображено на рис. 2-8. Здесь используется то обстоятельство, что, с одной стороны, изменение

92

93

ник, начиная с четвертого порядка, обусловлено появлением в за­ висимости АВ от Н четных степеней не ниже четвертой.

Отметим, что трудности описания поведения динамической петли гистерезиса на частных циклах перемагничивания пока не позволяют произвести теоретический анализ спектра выход­ ного сигнала для прямоугольной волны возбуждения. Действи­ тельно, в этом случае, исходя из статической модели перемаг­ ничивания (2-11), получим, что зависимость A3 от времени содержит одну лишь постоянную составляющую, в то время как из опыта известно, что на выходе присутствуют первая и вторая гармоники, имеющие большие значения, чем при возбуждении синусоидальным током с амплитудой, равной амплитуде воз­ буждения током с прямоугольной формой волны.

На рис. 2-9 приведено семейство кривых зависимости выход­ ного сигнала на второй гармонике е2 от амплитуды м. д. с. возбуждения Fm для различных значений остаточного потока Фост- Указанные кривые были получены при следующих усло­

в первом приближении эта зависимость является линейной, что соответствует формуле (2-15). Неразрушающее считывание для любых Фост возможно при значениях Fm, не превышающих 1,0—1,1 а, а при больших Fm под действием переменной м. д. с. возбуждения происходит необратимое уменьшение Ф0 ст, кото­ рое, начиная с Fm^l,3 а, уже превалирует над увеличением возбуждения, в результате чего е2 начинает падать. На участке

там [см. формулу (2-14)].

Отклонение зависимости от квадратичной при возрастании Fm может быть объяснено как изменением коэффициентов v i , v 2 ,

94

v и [i в формуле (2-11), так и неточностью описания петли гистерезиса формулой (2-11) при больших полях возбуждения.

При длительном неразрушающем считывании (до несколь­ ких часов подряд) заметного изменения информации не проис­ ходит, однако при отключении питания наблюдается медленное уменьшение выходного напряжения, которое прекращается по истечении 5—10 мин, и значение е2 стабилизируется. Если сно­ ва подать возбуждение, то через несколько минут е2 возвраща­ ется на прежний уровень. Величина изменения е2 при отключе­

Экспериментальное исследование показало, что для целей неразрушающего считывания на второй гармонике пригоден широкий ряд материалов: 50НП, 79НМ, 34НКМП, 68НМП, 64НП при толщинах лент от 2 до 50 мкм, 016ВТ, 0,ЗВТ и ряд

вают прежде всего условия координатной записи (§ 1-2,в).

вихревых токов. Уменьшение коэрцитивной силы также ведет к увеличению сигнала, поэтому в ряде случаев оказывается, что переход к сверхтонким лентам из-за резкого возрастания коэр­ цитивной силы ведет к снижению выходного сигнала. Ферритовые сердечники имеют выходной сигнал при равных значе­ ниях коэрцитивной силы в несколько десятков раз меньше, чем пермаллоевые, но при этом следует иметь в виду, что стоимость первых намного ниже, а считывание малых сигналов перемен­

кривой является линейным, а затем скорость изменения е4 уве­ личивается, что, в общем, соответствует теории [коэффициенты

между второй и первой гармониками можно добиться увеличе­ нием м. д. с. возбуждения. Из приведенного графика, в част­ ности, следует, что выделить вторую гармонику из общего вы­ ходного сигнала можно достаточно простыми средствами. Дей-

95

ствительно, типичным отношением e2 /ei является 0,05—0,1, а простейший резонансный контур и фазовый детектор после­ довательно улучшают это отношение в 50—100 и 100—200 раз,

тых из нескольких различных партий пермаллоевых сердечни­ ков это ослабление составляло 20—40 дб.

Влияние частоты на первую и вторую гармонику может быть проанализировано с помощью кривых, изображенных на

держивался постоянным, сердечники находились в состоянии насыщения.

Из приведенных кривых следует, что изменение толщины ленты сказывается на поведении второй гармоники значительно сильней, чем первой. При толщине ленты 20 мкм для 50НП напряжение второй гармоники практически не меняется (до­ полнительное исследование показало, что этот факт имеет место при толщинах от 10 до 50 мкм для любых типов материалов, если частота изменяется в пределах 0,15—1,0 Мгц). Следует отметить, что и для меньших толщин лент темп нарастания первой гармоники с увеличением частоты выше, чем для второй. Поэтому при любых толщинах лент относительное содержание второй гармоники в первой с увеличением частоты падает.

Для возбуждения можно использовать как синусоидальную форму волны, так и прямоугольную; принципиальные выводы, сделанные выше, в обоих случаях остаются одинаковыми. При­ менение прямоугольной формы связано прежде всего с возмож­ ностью изготовления экономичных и мощных источников пита­ ния, что имеет немаловажное значение для систем, содержащих тысячи и более компонентов.

Урабе [Л. 84] с целью упростить выделение полезного сигнала из общего спектра выходного напряжения. Состоит он в сле­ дующем. Предположим, что амплитуда Я т возбуждения с не­ сущей частотой « с подвергается воздействию модулирующего

96

сигнала #' m cosco m / с глубиной мо­ дуляции т. Тогда

Подставим значение Нт в выраже­ ние (2-14) для а0:

Отметим, что в качестве выходного сигнала, кроме первой, можно использовать и вторую гармонику частоты модуляции. Из (2-18) и (2-12) следует, что вторая гармоника также про­ порциональна Воет и ее фаза меняется при изменении полярно­

сти Воет-

Предположим, что на сердечник действует двухчастотное воз­ буждение с напряженностью

Анализ спектра индукции в этом случае сильно затруднен и лишен наглядности, если пользоваться уравнениями (2-11). Поэтому, пренебрегая гистерезисом частного цикла перемагничивания, будем полагать, что изменение индукции происходит по усредненной кривой

часто встречается на практике. Предложенные упрощения по­ зволяют заметно облегчить анализ гармонических составляю­ щих индукции и тем не менее сохранить целый ряд принци­

Подставляя (2-21) в (2-23), легко найти все гармонические составляющие в спектре индукции

,98

Таким образом, кроме первой и второй гармоники обеих частот

сом, то, естественно, в (2-24) отсутствует квадратурная состав­ ляющая первой гармоники. Напомним, что значение v i — v 2 про­ порционально остаточному потоку В0Ст [см. формулу (2-12)]. Тогда из (2-24) можно сделать следующие выводы. Амплитуды вторых гармоник и комбинационных частот пропорциональны 5ост, а их фазы меняются на 180° при изменении полярности Воет, фазы первых гармоник при этом не меняются. При изме­ нении фазы одной из частот возбуждения на 180° меняются на 180° фазы соответствующей первой гармоники и комбинацион­ ных частот, а фазы вторых гармоник остаются неизменными. Отсюда определяется способ создания схемы для компенсации на выходе первых и вторых гармоник частот возбуждения, как это показано на рис. 2-13. Каждая из двух пар сердечников /—2 и 3—4 собрана по схеме, показанной на рис. 2-8, позво­ ляющей компенсировать первые гармоники. Таким образом, на выходе пар /—2 и 3—4 первые гармоники отсутствуют. Кроме вторых гармоник, на выходе каждой пары имеются и комбина­

9 9

говых ЗЭ [Л. 43, 85]. Основное достоинство этого элемента — возможность матричной выборки при считывании посредством подачи на столбцы одной частоты, а на строки — другой [Л. 86] и возможность умножения входного сигнала в аналоговой фор­ ме на коэффициент, запоминаемый в виде непрерывных уров­ ней остаточной индукции [Л. 85—87]. Возможность такого умно­

если перемагничивание происходит по кривым второго порядка, аналоговое умножение имеет место при любых соотношениях между Нт и Н , однако на практике, как уже отмечалось в п. «а» настоящего параграфа, имеет место отклонение от параболического закона, в связи с чем линейная зависимость выходного сигнала от Н заметно нарушается, начиная с неко­ торого отношения Н 1Нт [Л. 86, 87]. Ряд общих вопросов, касающихся выбора соотношения между частотами со и сеч, исходя из максимального быстродействия при считывании на суммарной частоте для нелинейного элемента с двухчастотным возбуждением рассмотрен в работе {Л. 88]. Если важна просто­ та выделения выходного сигнала, то этот сигнал следует сни­ мать на разностной частоте при близких значениях со и соь в этом случае частота to—cot будет заметно отличаться от всех остальных гармонических составляющих на выходе, и выделить ее не представляет особого труда при использовании простей­ шего резонансного контура.

ции). Такой способ называется способом возбуждения попереч­ ным полем [Л. 5]. Возможные конструкции сердечников с по­ перечным возбуждением изображены на рис. 2-14. Пусть в сер­ дечнике записана остаточная индукция 5 0 С т - В отсутствие поля возбуждения индукция направлена по продольной оси, как по­ казано на рис. 2-15. При приложении поля в перпендикулярном направлении появляется угол сдвига вектора индукции 8. Как

100